Fenntartható fejlődés gyakorlati szemmel

ahid1.jpg 

A hidrogénes üzemanyagcellánál aligha álmodhatunk tisztább járműhajtó erőforrást, hiszen működése során pusztán elektromosságot és vizet termel.

A technológia viszont mindeddig platina-katalizátort igényelt, ami az egekbe hajtja a cellák árát. Íme egy olcsóbb alternatíva, amely új lendületet adhat a fejlesztésnek.

Bár a tiszta autózás jövőjét a legtöbb gyártó a hidrogénes üzemanyagcellákkal képzeli el, a technológiát nemrég még általánosan övező lelkesedés az utóbbi időben kissé alábbhagyott, mert a hidrogén szabályozott égetéséhez szükséges platina-alapú katalizátor vállalhatatlanul drágává teszi a cellákat a tömeges gyakorlati alkalmazás céljára.

A mérnökök és tudósok azonban folyamatosan keresték az alternatív megoldásokat, amelyek hatékonyságban nem maradnak el a platinától, viszont jóval költségkímélőbbek. Az amerikai Rice University kutatói kínai kollégáikkal együttműködve most egy olyan, nitrogénnel szennyezett grafénon és ruténiumon alapuló katalizátort dolgoztak ki, amely teljesíti ezeket az elvárásokat, így új lendületet adhat a végtermékként légszennyező gázokat nem termelő, pusztán elektromosságot és vizet előállító hidrogénes üzemanyagcellák fejlesztésének. A kutatók eredményeiket az American Chemical Society által fenntartott ACS Nano folyóiratban tették közzé.

Milyen egy hidrogénes üzemanyagcella?

A hidrogénes üzemanyagcellák hasonlítanak is egy közönséges elemhez, de sok lényeges dologban különböznek is attól. A hasonlóság annyiban áll, hogy mind a galvánelem-elven működő elemekben és akkumulátorokban, mind az üzemanyagcellákban „kémiai munkavégzés" zajlik: a magasabb energiaszintről alacsonyabb energiaszintre utazó elektronok hozzák létre az egyenáramot, amely a kívánt célra – például egy jármű hajtására – felhasználható.

Ám míg egy klasszikus galvánelemben elektrolit-oldatba merített fémek között adódnak át az elektronok, a hidrogénes üzemanyagcellában az elektronok a gáz halmazállapotú hidrogénről utaznak a szintén gáz halmazállapotú oxigénre, miközben a hidrogénből keletkezett protonok egy elektrolit-rétegen át vándorolnak az anód és a katód között. Az elektronok végül az oxigént kémiailag redukálva – és a protonokkal kombinálódva – vizet alkotnak.

Azonban ahhoz, hogy a hidrogén megváljon elektronjaitól, meg kell feszíteni a hidrogén molekuláit, hogy könnyebben szétszakadjanak.

Erre a célra használták a hagyományos hidrogénes üzemanyagcellákban a platinát, amely katalizátorként elősegítette a hidrogén „elektrontalanítását".

Sokáig a platina tűnt az egyetlen olyan fémnek, amely az adott körülmények között képes ezt a feladatot ellátni, de a platina csillagászati ára erősen korlátozta a hidrogénes üzemanyagcellák elterjedését.

Hogy néz ki az újfajta katalizátor?

Az újfajta katalizátor alapját egy nitrogénnel szennyezett grafénkristály képezi.

A grafén a szén olyan módosulata, amelyben a hatszögesen elrendezett szénatomok kétdimenziós hálót alkotnak. A tudósok ezt az alapvetően tisztán szénből álló szerkezetet nitrogénatomokkal szennyezték, amelyekből négy-négy alkot egy-egy szigetet a szénatomok lapos tengerében. A szerkezet harmadik, kulcsfontosságú komponense a ruténium nevű, platinához hasonló viselkedésű átmenetifém, amely a tényleges katalízisért felelős. A ruténiumatomokat a nitrogénatomok négyes csoportjai tartják fogva a grafénháló felszínén.

 ahid2.jpg

Forrás: Chris Zhang/Rice University

A négy nitrogénatom által közrefogott ruténium általában igen aktív katalizátorként viselkedik, ugyanakkor előállítási költsége a hagyományos platina-katalizátorénak mindössze a tizede – ismertette James Tour, a Rice University vegyésze, az új anyagot előállító laboratórium vezetője. – És mivel a ruténium egyedi atomjait és nem nagyobb aggregátumait használjuk, nincsenek a felülettől elzárt atomok, amelyek nem vesznek részt a reakcióban. Ahány ruténiumatom csak van, az mind reakcióra kész." A ruténium-alapú katalizátor a laboratóriumi tesztekben a platina-alapú ötvözetekkel összevethető teljesítményt mutatott, és jócskán túlszárnyalta a másik alternatívaként számon tartott katalizátor, a nitrogénnel szennyezett grafén és a vas kombinációjának mutatóit.

Tour elmondása szerint az egyedi ruténiumatomok szétterítése a grafénháló felszínén nem okozott különösebb nehézséget. Először szilárd grafén-oxidot kellett eloszlatni egy oldatban, majd hozzáadni kis mennyiségű ruténiumot, és fagyasztva szárítani ezt a diszperziót. Az így kapott habot aztán 750°C-on, nitrogéngáz és hidrogéngáz jelenlétében hőkezelték. A hidrogéngáz elemi grafénná redukálta a grafén-oxidot, a nitrogén pedig beépült a szénatomok hálózatába, biztosítva azokat a pontokat, ahol a ruténium kapcsolódni tud a háló felszínéhez.

Ellenállt a károsító tényezőknek

Az új katalizátor kitűnően ellenállt azoknak a károsító tényezőknek, amelyek a hagyományos platina-alapú üzemanyagcellák hatékonyságát lerontják.

Az egyik a „metanol-átszivárgás" néven ismert jelenség,

amely akkor áll elő, amikor az üzemanyagcella nem hidrogéngázzal, hanem a szintén nagy energiasűrűségű – így üzemanyagként elsőrangúan funkcionáló – metanollal működik. A hagyományos platinakatalizátorokban a metanol hajlamos átszivárogni a cella egyik oldaláról a másikra, s az így elvesztett metanol nem szolgáltat energiát.

A másik, platina-katalizátorokat fenyegető jelenség a „szénmonoxid-mérgezés".

Ahogy a szén-monoxid az emberi vérben is képes elfoglalni az oxigén számára fenntartott kötőhelyeket, úgy a platina-katalizátorokban is erősen hozzá tud kötődni a platinához, így megakadályozva a hidrogén-platina kölcsönhatást. A hidrogéngáz gyártása során szinte elkerülhetetlen, hogy szennyezésként némi szén-monoxid is keletkezzék, és a nemkívánatos gáz már nyomnyi mennyiségben is „megmérgezi" a katalizátor aktív helyeit.

A grafén-nitrogén-ruténium katalizátor azonban mindkét hatékonyságrontó tényezővel szemben figyelemre méltó ellenállást mutatott.

Amennyiben tetszett a cikk, illetve más hasonló híreket is szívesen olvasna, itt lájkolhatja oldalunkat

Kapcsolódó anyagaink: 

Forrás - Nyitókép: Wikipedia Commons