A Rice Egyetem műszaki karán Haotian Wang laboratóriumában a nikkel sikeres hozzáadása a ruténium-dioxidhoz (RuO2) állítólag olyan robusztus anódkatalizátort eredményezett, amely környezeti körülmények között több ezer órán át termelt hidrogént víz elektrolíziséből.
"A tiszta hidrogén iránt óriási az ipari érdeklődés. Fontos energiahordozó, és a vegyipari gyártás szempontjából is jelentős, de a jelenlegi előállítása világszerte a vegyipar szén-dioxid-kibocsátásához komolyan hozzájárul. Fenntarthatóbb módon szeretnénk előállítani a hidrogént, és a tiszta villamos energiát használó vízbontás széles körben elismert, mint a legígéretesebb lehetőség" - nyilatkozta Wang.
Az irídium nagyjából nyolcszor annyiba kerül, mint a ruténium, és a kereskedelmi célú eszközgyártás során a költségek 20-40 százalékát teheti ki, különösen a jövőbeni nagyméretű alkalmazásokban. A kutatók a most kifejlesztett eljárást a Nature Materials című szaklapban részletezik.
A vízbontás magában foglalja az oxigén- és hidrogénfejlődési reakciókat, amelyek során polarizált katalizátorok átrendezik a vízmolekulákat, hogy oxigént és hidrogént szabadítsanak fel. "A hidrogént a katód, azaz a negatív elektród termeli. Az anód oldalon pedig oxigén keletkezik. "A katód nagyon stabil, és nem jelent nagy problémát, de az anód hajlamosabb a korrózióra, ha savas elektrolitot használunk. Az általánosan használt átmeneti fémek, mint a mangán, a vas, a nikkel és a kobalt oxidálódnak és feloldódnak az elektrolitban. Ezért a kereskedelmi forgalomban kapható protoncserélő membrános vízelektrolízisekben használt egyetlen praktikus anyag az irídium. Ez több tízezer órán keresztül stabil, de nagyon drága" - mondták el a kutatók.
A helyettesítő anyagot keresve Wang laboratóriumának munkatársai az ismert aktivitása miatt a ruténium-dioxidra fogadtak, amelyet nikkellel, a kipróbált fémek egyikével erősítettek fel. Kimutatták, hogy az anódon használt, nikkel adalékanyaggal ellátott, ultrakisméretű és nagy kristályosságú RuO2 nanorészecskék 200mA/cm2 áramsűrűség mellett több mint 1000 órán keresztül, elhanyagolható degradáció mellett elősegítették a vízbontást. Az anódjaikat tiszta rutén-dioxidból készült anódokkal összevetve tesztelték, amelyek néhány száz órán keresztül katalizálták a víz elektrolízisét, mielőtt elkezdtek volna bomlani.
A laboratórium most azon dolgozik, hogy a ruténium-katalizátorát továbbfejlessze, és azok beilleszthetők legyenek a jelenlegi ipari folyamatokba. "Most, hogy elértük ezt a stabilitási mérföldkövet, az a kihívásunk, hogy legalább öt-tízszeresére növeljük az áramsűrűséget, miközben továbbra is fenntartjuk ezt a fajta stabilitást. Ez nagy kihívás, de még mindig lehetséges. Az irídium éves termelése nem segít abban, hogy a ma szükséges mennyiségű hidrogént előállítsuk. Még a globálisan előállított összes irídium felhasználásával sem lehetne annyi hidrogént előállítani, amennyire szükségünk lesz, ha azt vízelektrolízissel akarjuk megtenni. Ez azt jelenti, hogy nem támaszkodhatunk teljes mértékben az irídiumra. Új katalizátorokat kell kifejlesztenünk, hogy vagy csökkentsük az irídium használatát, vagy teljesen kiiktassuk a folyamatból" - mondta Wang.
