Вчені розробили нову систему ефективного виробництва зеленого водню

Спільні дослідницькі зусилля між IIT та його дочірньою компанією BeDimensional виявили метод, що використовує частинки рутенію в поєднанні з системою електролізу на сонячних батареях. Що потрібно для більш ефективного та дешевого виробництва зеленого водню? Мабуть, дрібні частинки рутенію і система для електролізу води на сонячних батареях. Це рішення було визначено спільною командою за участю Istituto Italiano di Tecnologia (Італійський технологічний інститут, IIT) у Генуї та BeDimensional SpA (виділ IIT).

Технологія, розроблена в контексті діяльності Joint-lab і нещодавно опублікована в двох журналах з високим імпакт-фактором (Nature Communications і Journal of the American Chemical Society), базується на новому сімействі електрокаталізаторів, які можуть знизити витрати на екологічні виробництва водню в промислових масштабах.

Водень розглядається як стійкий вектор енергії, альтернатива викопному паливу. Але не весь водень є однаковим, коли йдеться про вплив на навколишнє середовище. Дійсно, головним способом виробництва водню сьогодні є паровий риформінг метану, процес на основі викопного палива, який виділяє вуглекислий газ (CO₂) як побічний продукт.

Водень, який утворюється в результаті цього процесу, класифікується як «сірий» (коли CO₂ викидається в атмосферу) або «блакитний» (коли CO₂ уловлюється та геологічно зберігається). Щоб значно скоротити викиди до нуля до 2050 року, ці процеси необхідно замінити більш екологічно стійкими, які забезпечують «зелений» (тобто чисті нульові викиди) водень. Вартість «зеленого» водню критично залежить від енергоефективності установки (електролізера), яка розщеплює молекули води на водень і кисень.

Технологічні інновації у виробництві водню

Дослідники з об’єднаної команди цього відкриття розробили новий метод, який гарантує більшу ефективність, ніж відомі методи, у перетворенні електричної енергії (зміщення енергії, що використовується для розщеплення молекул води) у хімічну енергію, що зберігається в молекулах водню, які виробляються. . Команда розробила концепцію каталізатора та використовувала відновлювані джерела енергії, такі як електрична енергія, вироблена сонячними панелями.

«У нашому дослідженні ми показали, як можна максимізувати ефективність надійної, добре розробленої технології, незважаючи на початкові інвестиції, які трохи перевищують ті, які потрібні для стандартного електролізера. Це тому, що ми використовуємо такий дорогоцінний метал, як рутеній», — прокоментували Йонг Цуо та Мікеле Феррі з групи нанохімії IIT у Генуї.

Дослідники використовували наночастинки рутенію, благородного металу, подібного до платини за своєю хімічною поведінкою, але набагато дешевшого. Наночастинки рутенію служать активною фазою катода електролізера, що сприяє підвищенню ефективності електролізера в цілому.

«Ми провели електрохімічні аналізи та випробування в промислово значущих умовах, що дозволило нам оцінити каталітичну активність наших матеріалів. Крім того, теоретичне моделювання дозволило нам зрозуміти каталітичну поведінку наночастинок рутенію на молекулярному рівні; іншими словами, механізм розщеплення води на їх поверхні», — пояснили Себастьяно Беллані та Марілена Заппія з BeDimensional, які брали участь у відкритті. «Поєднавши дані наших експериментів із додатковими параметрами процесу, ми провели техніко-економічний аналіз, який продемонстрував конкурентоспроможність цієї технології порівняно з найсучаснішими електролізерами».

Економічна ефективність нової технології

Рутеній є дорогоцінним металом, який отримують у невеликих кількостях як побічний продукт видобутку платини (30 тонн на рік, порівняно з річним виробництвом 200 тонн платини), але з нижчою ціною (18,5 доларів за грам на відміну від $30 за платину). Нова технологія передбачає використання лише 40 мг рутенію на кіловат, що різко контрастує з широким використанням платини (до 1 грама на кіловат) та іридію (від 1 до 2,5 грама на кіловат, ціна іридію становить близько 150 доларів). на грам), які характеризують електролізери з протонообмінною мембраною.

Використовуючи рутеній, дослідники з IIT і BeDimensional покращили ефективність лужних електролізерів, технологію, яка використовувалася десятиліттями завдяки її міцності та довговічності. Наприклад, ця технологія використовувалася на борту капсули «Аполлон-11», яка доставила людство на Місяць у 1969 році. Розроблена нова сімейка катодів на основі рутенію для лужних електролізерів є дуже ефективною та має тривалий термін служби, отже, здатна зниження витрат на виробництво зеленого водню.

«У майбутньому ми плануємо застосувати цю та інші технології, такі як наноструктуровані каталізатори на основі стійких двовимірних матеріалів, у розширених електролізерах, що живляться електроенергією з відновлюваних джерел, включаючи електроенергію, вироблену фотоелектричними панелями», — підсумували дослідники.