Przełom w technologii ogniw wodorowych? Chińscy naukowcy tworzą tani katalizator żelazowy zamiast platyny!
Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC), nazywane często „wodorowymi power bankami”, od lat budzą ogromne nadzieje w sektorze czystej energii. Wytwarzają prąd z wodoru i tlenu, a jedynym produktem ubocznym jest woda. Charakteryzują się wysoką sprawnością, błyskawicznym rozruchem i zerową emisją, co czyni je atrakcyjnym rozwiązaniem dla transportu, elektroniki przenośnej czy stacjonarnego wytwarzania energii. Jednak problemem jest koszt – katalizatory w PEMFC oparte są głównie na platynie, metalu rzadkim i bardzo drogim, co mocno ogranicza powszechne wdrożenie tej technologii.
W odpowiedzi na te wyzwania zespół chińskich badaczy stworzył nowatorski katalizator oparty na żelazie, który może zrewolucjonizować rynek. Kluczowym elementem projektu jest unikalna konstrukcja określana jako „aktywacja wewnętrzna, ochrona zewnętrzna”. Dzięki niej udało się uzyskać rekordową wydajność i trwałość, przy jednoczesnym znacznym zmniejszeniu zapotrzebowania na platynę. Badacze zwracają uwagę, że nowa metoda rozwiązuje dotychczasowe problemy ograniczonej ekspozycji miejsc aktywnych oraz degradacji katalizatorów w warunkach oksydacyjnych.
Podstawą innowacji jest jednoatomowy katalizator żelazowy o zakrzywionej powierzchni wewnętrznej (CS Fe/N-C) z unikalną, wielowarstwową strukturą pustą w środku. Każda nanocząstka o wymiarach około 10 nm × 4 nm składa się z wielu powłok, w których atomy żelaza są skoncentrowane na gęstych warstwach wewnętrznych. Takie rozwiązanie znacząco poprawia efektywność reakcji redukcji tlenu i redukuje tworzenie niepożądanych produktów pośrednich, takich jak nadtlenek wodoru, które do tej pory obniżały wydajność i trwałość PEMFC.
Wyniki badań są imponujące: nadpotencjał redukcji tlenu osiągnął poziom 0,34 V – lepszy niż w tradycyjnych konstrukcjach – a gęstość mocy wyniosła rekordowe 0,75 W cm-2 przy ciśnieniu poniżej 1,0 bar H2-powietrze. Co więcej, katalizator utrzymał aż 86% swojej aktywności po ponad 300 godzinach nieprzerwanej pracy, co w praktyce oznacza zdecydowanie dłuższą żywotność urządzeń.
Nowe rozwiązanie, opisane szczegółowo w prestiżowym czasopiśmie Nature, otwiera drogę do opracowania tańszych i bardziej wydajnych ogniw wodorowych. Zastosowanie żelaza, metalu znacznie tańszego od platyny, w połączeniu z unikalną konstrukcją, może w przyszłości umożliwić masowe wykorzystanie PEMFC w pojazdach, domach i urządzeniach przenośnych, stając się jednym z filarów transformacji energetycznej.
Źródło: Instytut Inżynierii Procesowej Chińskiej Akademii Nauk
Czytaj też: Złoto bije rekordy! Naukowcy podgrzali je 14 razy powyżej granicy, a ono wciąż pozostało stałe!
Grafika tytułowa wygenerowana z wykorzystaniem AI
