Platinos nenaudojantys vandenilio kuro elementai

Straipsnyje, atspausdintame „Science“ žurnale, Los Alamos mokslininkai Gangas Wu (Gang Wu), Kristina Džonston (Christina Johnston) ir Piotra Zelenejus (Piotr Zelenay) kartu su Ouk Ridžo nacionalinės laboratorijos mokslininke Karen More, aprašė platinos nenaudojantį katalizės procesą vandenilio kuro elemente. Pašalinus platiną, brangųjį elementą, kuris yra brangesnis už auksą, būtų galima išspręsti svarbias ekonomines problemas, trukdančias plačiai įdiegti vandenilio kuro elementų sistemas kasdienėje veikloje.

Polimerinio elektrolito vandenilio kuro elementai verčia vandenilį ir deguonį į elektrą. Kuro elementai gali būti padidinti ir sujungti vienas su kitu siekiant gauti didesnės energijos šaltinius, naudojamus, pavyzdžiui, automobiliuose. Vandenilio kuro elementai gamina vandenį, kaip šalutinį produktą, ir neteršia aplinkos šiltnamo efektą didinančiomis dujomis. Tačiau katalizatoriui yra reikalinga brangi platina, kuri sudaro sąlygas reakcijai, gaminančiai elektrą kuro elemente, vykti. Kuro elementų platus panaudojimas buvo labai ribotas dėl didelės kainos. Išaugęs platinos naudojimas jos pagrindu veikiančiuose katalizatoriuose padidintų šio brangaus metalo poreikį, o tai dar labiau padidintų jos kainą, kuri dabar siekia 1800 dolerių už unciją.

Los Alamos mokslininkai sukūrė brangaus metalo nereikalaujantį katalizatorių kuro elemento daliai, kuris sąveikauja su deguonimi. Katalizatorius, kuris naudoja anglį (dalinai gaunamą iš polianilino veikiant aukštoms temperatūroms) bei nebrangius geležį bei kobaltą vietoje platinos, davė didelę energijos išeigą, gerą efektyvumą ir žadamą ilgaamžiškumą. Mokslininkai atrado, kad kuro elementai, kuriuose naudojamas anglies-geležies-kobalto katalizatorius, ne tik generuoja elektros srovę, savo dydžiu sulyginamą su brangiųjų metalų katalizatoriaus kuro elementais. Pasirodė, kad periodinis įjungimas ir išjungimas negadina katalizatoriaus taip greitai, kaip įprasto įrenginio atveju.

Svarbu, kad kuro elementai su anglies-geležies-kobalto katalizatoriumi efektyviai verčia vandenilį ir deguonį į vandenį, o negamina didelius kiekius nepageidaujamo vandenilio peroksido. Neefektyvus kuro virtimas vandeniu, kai generuojamas vandenilio peroksidas, gali sumažinti gaminamos energijos kiekį iki penkiasdešimties procentų. Toks netinkamas darbas gali pažeisti kuro elemento membranas. Laimei, anglies-geležies-kobalto katalizatorius, sukurtas Los Alamos mokslininkų, gamina ypatingai mažai vandenilio peroksido net lyginant su geriausiais platinos pagrindu dirbančiais katalizatoriais.

Toks sėkmingas naujojo katalizatoriaus veikimas paskatino Los Alamos mokslininkus paruošti patentą.

„Drąsinantis dalykas yra susijęs su katalizatoriaus ilgaamžiškumu bei gyvavimo ciklu lyginant su platinos katalizatoriais, – pasakė Zelenėjus, kuris taip pat yra vykdantis susirašinėjimą straipsnio autorius (angl. corresponding author). – Visais atžvilgiais tai yra labai mažai kainuojantis katalizatorius, lyginant su platinos katalizatoriumi. Taip pašalinamas vienas pagrindinių barjerų, trukdžiusių vandenilio kuro elementų naudojimui“.

Savo tolimesniuose tyrimuose mokslininkai planuoja geriau išnagrinėti, kokie procesai sąlygoja sėkmingą anglies-geležies-kobalto katalizatoriaus darbą. Mikroskopinės katalizatoriaus dalių nuotraukos, gautos More, suteikė geresnį supratimą apie katalizatoriaus funkcionavimą. Tačiau reikalingi tolimesni tyrimai norint patvirtinti mokslininkų iškeltas katalizatoriaus darbą aiškinančias teorijas. Tikslesnis procesų supratimas galėtų leisti patobulinti pigių elementų pagrindu veikiančius katalizatorius, toliau didinant jų efektyvumą bei gyvavimo laiką.