W jaki sposób nanomateriały na bazie irydu przyczyniają się do bardziej ekologicznej przyszłości?

Nagroda Metrohm Poster Award została po raz pierwszy wprowadzona 29 lat temu podczas Konferencji Chemii Elektroanalitycznej (ELACH) i stała się wieloletnią tradycją. Najnowsza edycja tej nagrody została przyznana dwóm zwycięzcom na targach Electrochemistry 2022 w Berlinie w Niemczech. Konferencja pod hasłem "At the Interface between Chemistry and Physics" przyciągnęła ponad 600 naukowców specjalizujących się w różnych dziedzinach  elektrochemii.Wydarzenie Elektrochemistry 2022 posłużyła uczestnikom jako platforma postpandemiczna do odkrywania najnowszych trendów i zastosowań oraz dzielenia się postępami w kluczowych obszarach, takich jak technologia czujników, magazynowanie energii, redukcja CO₂, fotoelektrochemia,  bioelektrochemia, elektrosynteza, korozja, analiza elektrochemiczna i elektrokataliza.

Laureaci Metrohm Poster Award 2022

Podczas wydarzenia  przedstawiono ponad 300 prezentacji plakatowych, a komitet posterowy, (członkowie panelu naukowego) starannie wybrali dwie najlepsze prace. Każdy zwyciężca został następnie uhonorowany nagrodą w wysokości 500 €  podczas ceremonii wręczenia nagród.

Badania Marko Malinovića przedstawiono w tym artykule. Jego plakat nosił tytuł:  „Synteza krystalicznych nanocząstek IrO2 o kontrolowanym rozmiarze do reakcji ewolucji tlenu w środowisku kwaśnym”

CO₂, zmiana klimatu i samochody

Wdrażanie strategii mających na celu łagodzenie zmian klimatu ma ogromne znaczenie. Konsekwencje nadmiernej emisji CO₂ i późniejszego wpływu na klimat regionalny są już odczuwalne, co skutkuje częstszym występowaniem klęsk żywiołowych z nieuniknionymi ofiarami śmiertelnymi.

Silne uzależnienie sektora transportu od paliw kopalnych wygenerowało w konsekwencji 37 % całkowitej emisji CO₂ w 2021 r. [1]. Pomimo rosnącej liczby samochodów elektrycznych na drogach, potrzebne są dodatkowe przyjazne dla środowiska rozwiązania technologiczne, aby sprostać wyzwaniu redukcji emisji  CO ₂.

Ostatnio więcej uwagi poświęca się samochodom napędzanych wodorem jako częściowemu rozwiązaniu. Ta klasa pojazdów opiera się na technologii ogniw paliwowych, w której wodór (w reakcji z tlenem) wytwarza energię elektryczną potrzebną do zasilania pojazdu, a produktami ubocznymi są tylko woda i ciepło. Chociaż brzmi to idealnie, to cząsteczki wodoru można uznać za neutralne dla klimatu tylko wtedy, gdy są wytwarzane przy użyciu odnawialnych źródeł energii. W 2020 r. w Niemczech wyprodukowano łącznie 57 TWh wodoru, z czego jedna trzecia pochodzi z reformingu parowego paliw kopalnych, a zatem jest bezpośrednio związana z wysoką  emisją CO₂ [2].Globalny udział wodoru pochodzącego z odnawialnych źródeł energii, znanego jako  «zielony wodór» wynosi mniej niż 1%, alarmująco wskazując, gdzie należy przesunąć punkt ciężkości, aby wywrzeć wpływ.

Elektroliza wody

Proponowanym rozwiązaniem w celu obejścia nadmiernej emisji CO₂ podczas produkcji wodoru jest elektrochemiczne rozszczepianie wody. Energia elektryczna potrzebna do endotermicznej reakcji rozszczepiania wody pochodzi ze źródeł odnawialnych, co prowadzi do produkcji zielonego wodoru.

Wśród różnych technologii elektrolizy dostępnych do produkcji na skalę przemysłową najczęściej stosuje się elektrolizery wody alkalicznej i elektrolizery wodne z membraną polimerowo-elektrolitową (PEM). Z tych dwóch, ten ostatni zapewnia do czterech razy większą gęstość prądu i jest bardziej dostosowany do czasami raczej nieprzewidywalnego poboru energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii  [3]. W porównaniu z faktycznym wzrostem cen paliw kopalnych, zielony wodór stał się w pełni konkurencyjny cenowo, a w niektórych częściach świata nawet tańszy niż wodór pochodzący ze źródeł paliw kopalnych.

Nasuwa się następujące pytanie: co powstrzymuje tę technologię przed posiadaniem większego udziału w globalnej produkcji wodoru?

Czy zielony wodór może w przyszłości zdekarbonizować sektor transportu?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, skupimy się na elektrolizerach wodnych PEM (PEM-WE). Elektrolizery te mogą sprawnie pracować w warunkach dynamicznych, umożliwiając ich sprzężenie z odnawialnymi źródłami energii. Ostatecznie nadmiar energii elektrycznej może być magazynowany w postaci wodoru.

Aby tak się stało, w ogniwie PEM muszą zajść dwie reakcje elektrochemiczne. Na anodzie, dodatniej elektrodzie baterii tlenowej, woda utlenia się wydzielając tlen, elektrony i protony w reakcji znanej jako reakcja wydzielania tlenu (OER). W związku z tym protony przechodzą przez membranę i redukowane są na katodzie, tworząc wodór  (Rysunek 1). 

Pomimo tego, że wodór jest pożądanym produktem, wąskim gardłem tego procesu jest powolny OER, który bezpośrednio wpływa na ogólną wydajność elektrolizera wodnego. Wysokie potencjały są stosowane w celu przezwyciężenia problemu kinetycznego OER, który wraz z kwaśnym środowiskiem pochodzącym z polimerowej membrany elektrolitowej stwarza dość trudne warunki w celi, ograniczając tym samym wybór katalizatorów do  tej reakcji głównie do metali szlachetnych.

Iridium na ratunek, za cenę

Spośród kilku badanych materiałów, katalizatory na bazie irydu oferują najlepszy kompromis między aktywnością katalityczną a trwałością  [4]. Jednak w tym miejscu również leży główny problem dotyczący udanego zwiększenia skali elektrolizy wody PEM. Szacowana dostępność irydu wynosi około siedmiu ton rocznie, co czyni go jednym z najrzadszych metali na świecie  [5]. Niewielkie ilości dostępnego irydu, wraz z niestabilnymi trendami podaży i popytu oraz czynnikami siły wyższej związanymi z głównymi lokalizacjami wydobywczymi, znajdują odzwierciedlenie w jego cenie, która gwałtownie wzrosła w 2023 r. do około 150 000 EUR za kg (spadek z wysokiego poziomu 172 200 EUR za kg na koniec kwietnia 2022 r.) [6].

Mając na uwadze wysoki i nieprzewidywalny koszt i dostępność irydu, głównym wyzwaniem naukowym jest znalezienie sposobu na zmniejszenie obciążenia katalizatora na bazie irydu stosowanym w PEM-WE przy zachowaniu wysokiej wydajności i trwałości. Co ciekawe, Bernt i in. [7] obliczyli, że jeśli sektor transportu miałby zostać zdekarbonizowany do 2100 r. przy użyciu pojazdów napędzanych wodorem, gęstość mocy specyficzna dla irydu musi zostać zmniejszona o współczynnik 50 w porównaniu z obecnym stanem.

Nanomateriały do zrównoważonej konwersji energii

Powaga tego wyzwania jest siłą napędową badań Marko Malinovića przeprowadzonych w grupie prof. dr Marc Ledendecker. Zaprojektowanie wydajnego i trwałego katalizatora na bazie irydu o obniżonej ilości metalu szlachetnego nie jest zadaniem trywialnym. W literaturze naukowej dotyczącej tego wyzwania opisano liczne konstrukcje katalizatorów (rysunek 1), obejmujące sam metal, iryd, tlenki metali, mieszane tlenki metali, struktury rdzeniowo-powłokowe, ługowane tlenki i materiały nanostrukturalne  [8]. Badania Marko koncentrują się na materiałach tlenku irydu, ponieważ mogą one potencjalnie oferować przewodność podobną do metalu, ale także zwiększoną trwałość w porównaniu z ich metalicznymi odpowiednikami.

Aby zapewnić maksymalne wykorzystanie katalizatora, badania Marko mają na celu syntezę nanomateriałów, które mają wysoki stosunek powierzchni do objętości, ponieważ tylko powierzchnia katalizatora aktywnie uczestniczy w katalizie. Mimo, że amorficzny tlenek irydu (IrO₂) jest dobrze znany ze swojej wyższej aktywności w stosunku do OER, trwałość nadal nie jest wystarczająca, aby zapewnić dłuższy czas pracy [9]. Krystaliczny tlenek irydu otrzymywany w temperaturze ≥400 °C ma pozytywny wpływ na stabilność katalizatora [10]. Jednak wysokie temperatury kalcynacji (ogrzewanie związku chemicznego poniżej jego temperatury topnienia w celu spowodowania częściowego rozkładu chemicznego tego związku) nieuchronnie prowadzą do zmniejszenia powierzchni czynnej katalitycznie.

Nowa droga syntezy opracowana w grupie badawczej Ledendecker oferuje możliwość syntezy nanocząstek IrO₂ o zachowanej wielkości cząstek i morfologii nawet po obróbce termicznej w wysokich temperaturach  [11]. To, co czyni tę metodę wyjątkową, to fakt, że poprawa trwałości nie odbywa się kosztem powierzchni czynnej katalitycznie. W ten sposób zapewniony jest podstawowy cel maksymalnego wykorzystania katalizatora.

Kolejne kroki

Konieczne jest dalsze zmniejszenie ilości tego szlachetnego metalu szlachetnego. Można to osiągnąć poprzez wprowadzenie innego, powszechnie dostepnego metalu jako materiału rdzeniowego, który jest pokryty cienką warstwą IrO₂, tworząc strukturę znaną jako "skorupa rdzenia" (Rysunek 1)  [12].

Wybór odpowiedniego materiału rdzenia może mieć decydujący wpływ na końcowe właściwości elektrochemiczne powłoki aktywnego tlenku irydu. Oprócz kompatybilności termodynamicznej między rdzeniem a materiałem powłoki, głównymi warunkami brzegowymi, które muszą spełniać materiały rdzeniowe, aby mogły zostać uwzględnione, są ich przewodność metaliczna i odporność na korozję w środowisku kwaśnym  [13]. Biorąc pod uwagę, że odporność korozyjna metali nieszlachetnych w warunkach eksploatacyjnych PEM-WE jest wątpliwa, zadanie to ma duże znaczenie i będzie miało szczególną uwagę w przyszłych planach badawczych Marko.