Mokslininkai tvirtina, kad paslaptingas naujo katalizatoriaus veikimas galėtų padėti gaminti kurą iš vandens ir patobulinti kuro elementus.

Vandens skaidymas į vandenilį ir deguonį – svarbus švaraus atsinaujinančio kuro gamybos žingsnis. Iš vandens gaunamas vandenilis galėtų tapti ir atsinaujinančios energijos pertekliaus kaupimo metodu.

Augalai šį procesą vykdo fotosintetindami, o žmonės stengiasi šį procesą atkurti.

„Nors fotosintezė vandenį puikiai oksiduoja vandenį, daugelis žmogaus sukurtų procesų tai atlieka ne taip gerai,“ sakė Thomas Jaramillo, Stanfordo universiteto chemijos inžinerijos departamento Paviršių mokslo ir katalizės centro SUNCAT tyrėjas.

Daugelis dirbtinių vandenilio ir deguonies išgavimo iš vandens metodų naudoja pernelyg brangias medžiagas, jiems reikia pernelyg daug energijos arba jie pernelyg sparčiai suyra realiomis sąlygomis, kaip, tarkime, kuro elementų rūgštiniai elektrolitai.

Bet vandens skaidymas į vandenilį ir deguonį gali tapti svarbiu šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijų mažinimo būdu. Jaramillo pastebėjo, kad pasaulyje kasmet pagaminama >50 mlrd kilogramų vandenilio ir didžioji dauguma (>95%) jo išgaunama iš iškastinio kuro tokiais procesais, kaip metano reformingas vandens garais.

Jaramillo su kolegomis siekė sukurti deguonies išskyrimo – liūdnai pagarsėjusios savo lėtumu vandens skaidymo proceso stadijos – katalizatorių. Katalizatorius yra medžiaga, spartinanti cheminės reakcijos pusiausvyros nusistovėjimą arba mažinanti tam reikalingą energiją, pati nesusinaudodama. Pagaminus patvaresnes, sparčiau veikiančias ir mažiau energijos reikalaujančias medžiagas, atsinaujinančio vandenilio gamyba atpigtų ir taptų efektyvesnė.

Praeitą savaitę žurnale Science publikuotame straipsnyje tyrėjų komanda pristatė deguonies išsiskyrimo katalizatorių, veikusį rūsčiomis sąlygomis ir pranokusį visus konkurentus.

„Didžiausias straipsnyje aprašomas pasiekimas – radome stabilų katalizatorių, veikiantį rūgštyje,“ sakė bendraautorius Yasuyuki Hikita, SLAC Nacionalinės greitintuvų laboratorijos mokslininkas. „Aptiktas aktyvumas buvo rekordinis.“

Vienas iš pagrindinių deguonies išsiskyrimo reakcijos katalizatorių rodiklių yra viršįtampis, – reakcijai vykdyti reikalingą elektros kiekis. Ankstesnis rekordas buvo 320 milivoltų, o naujajam katalizatoriui užtenka 270 – 290 mV viršįtampio, kad būtų pasiektas toks pat deguonies gamybos lygis.

Hikita sakė, kad tai didžiulis patobulinimas ir drastiškai sumažintų nenutrūkstamai veikiančios vandenilio gamybos įmonės energijos sąnaudas.

Katalizatorius šiuo atveju yra plona, kuo plokštesnė kristalo plėvelė, kurios vienas sluoksnis gaminamas iš iridžio oksido, o kitas – iš iridžio stroncio oksido. Naudodami plokščią ir ploną kristalą, tyrėjai galėjo geriau palyginti rezultatus su simuliacijomis.

„Iridžio oksidas – vienintelis žinomas katalizatorius, veikiantis rūgštyje,“ pažymėjo Hikita.

Eksperimentuodami tyrėjai taip pat išsiaiškino, kad katalizatoriaus veikimas ilgainiui gerėja. Matavimai parodė, kad katalizatoriaus paviršius kito, bet deguonies išsiskyrimą spartinantis mechanizmas tebėra neaiškus. „Mikroskopine prasme priežasčių kol kas nežinome,“ sakė Hikita. „Dalis stroncio išsiskiria į tirpalą.“

Dabar tyrėjai stengiasi savo deguonies išsiskyrimo katalizatorių padaryti efektyvesnį ir pigesnį, o taip pat išsiaiškinti fiziką, lemiančią tokį gerą šios medžiagos veikimą. „Iridis labai brangus metalas,“ sakė Hikita. „Kiek galime sumažinti naudojamo iridžio kiekį ir pasiekti tokį pat rezultatą? Kad būtų galima panaudoti praktiškai pramonėje, būtina šį kiekį labai labai sumažinti.“

„Geresnių katalizatorių kūrimui dar yra kur tobulėti. Daug daugiau, nei jau esame nuveikę,“ pabrėžė Jaramillo. „Galima įsivaizduoti katalizatorių, geresni už mūsų sukurtąjį milijoną kartų.“