Tehokkaan vedyntuotannon vapauttaminen puhtaalle energialle

Maailman väestön ja talouden jatkuva kasvu on johtanut merkittävään energiankulutuksen kasvuun, josta noin 80 % on kanssa fossiilisten polttoaineiden avulla. Nämä resurssit eivät ainoastaan ​​hupene dramaattisesti, vaan ne ovat myös vastuussa huomattavasta lisääntymisestä kasvihuonekaasut (KHK) ympäristössä.

Tämän seurauksena uusiutuviin energialähteisiin kiinnitetään nyt yhä enemmän huomiota, kuten aurinko, tuuli, vesi, orgaaninen aines ja maapallon lämpö.

Luonnonvaroista johdetut uusiutuvat energialähteet ovat tärkeitä puhtaille ja kestäville energiajärjestelmille. Niillä on kuitenkin lukuisia haasteita, kuten epäsäännöllinen saatavuus, korkeat alkukustannukset, maantieteelliset rajoitukset ja laajat tilavaatimukset. 

Tämä tässä kohtaa vety astuu kuvaan. Vedyn maailmanlaajuinen kysyntä nousi 97 miljoonaa tonnia (Mt) vuonna 2023, 2.5 % enemmän kuin edellisenä vuonna. 

Vedyn rooli puhtaan energian siirtymisessä

Maailmankaikkeuden kevyin alkuaine, vety, on noussut lupaavaksi ratkaisuksi kestävämmän energiaekosysteemin saavuttamiseksi joustavuutensa ja kykynsä varastoida merkittävä määrä energiaa suhteessa painoonsa ansiosta.

Se ei ole ensisijainen lähde kuten aurinko, vaan toissijainen, koska se täytyy be valmistettu muista raaka-aineista, kuten vedestä, maakaasusta tai biomassasta.

Kun vety tuotetaan fossiilisilla polttoaineilla, kuten maakaasulla (joka on tällä hetkellä yleisin menetelmä), se ei ole puhdasta energiaa, koska se aiheuttaa merkittäviä vuosittaisia ​​hiilidioksidipäästöjä.

Polttokennossa käytettynä vety tuottaa kuitenkin sivutuotteena vain vesihöyryä, mikä tekee siitä puhtaan polttoaineen.

Monipuolisena energiankantajana vety voi auttaa ratkaisemaan useita kriittisiä energiahaasteita. Se voi tukea uusiutuvien energialähteiden integrointia sähköjärjestelmään varastoimalla energiaa viikoiksi tai jopa kuukausiksi.

Vähäpäästöinen vety, joka on tuotettu ydinvoimalla tai uusiutuvalla energialla tai fossiilisilla polttoaineilla hiilen talteenoton avulla, sillä välin, voi auttaa dekarbonoida useilla eri aloilla. Raskas teollisuus ja kaukoliikenne, joissa päästöjen vähentäminen on erityisen haastavaa, voivat merkittävästi hyötyä siitä. Tällä vedyn tuotannolla on kuitenkin edelleen marginaalinen rooli, alle 1% 2023: ssä.

Vety voi itse asiassa olla johdettu eri teknologioista. Yksi tehokkaimmista tuotantomenetelmistä kestävä vety saadaan veden elektrolyysin avulla. Tässä energiaintensiivisessä elektrolyysissä sähköä käytetään hajottamaan veden vedyksi ja hapeksi. Tekniikka on hyvin kehittynyt ja saatavilla kaupallisesti, vaikka sen arvioitu energiatehokkuus on noin 52 %.

Toinen lähestymistapa on plasmolyysi, jolla on näytetään energian saanto samalla tasolla elektrolyysi, johon on lisätty etu pienemmästä virrankulutuksesta, alhaisemmista pääomakustannuksista ja pienemmästä laitteistokoosta. Viimeaikaiset edistysaskeleet mikrofluidiikassa ja mikroplasmat ovat tehneet vedyn tuotannosta vesihöyryplasmolyysillä kannattavaa energiatehokkuuden kannalta.

Muut tapoja saada Vedyn käyttö sähkön tuottamiseen sisältää fotokatalyysin, biovedyn ja termokemialliset prosessit.

Pyyhkäise vierittääksesi →

Vaikka vetyteknologia on lupaavaa, se on laajalle levinnyttä käyttää edelleen kasvoja vaikeudet tuotannon kannalta maksaa, tehokkuutta ja yleistä ympäristökestävyyttä. Puhtaampien energialähteiden tarpeen vuoksi tutkijat maailmanlaajuisesti ovat kuitenkin jatkuvasti ratkaisua etsimässä nämä ongelmat uusien materiaalien kanssa ja parempaa tekniikkaa.

Katalyytti-innovaatiot edistävät vedyn käyttöä

Vetyteknologioiden edetessä ideasta kaupallistamiseen yksi keskeisistä haasteista on jossa materiaaleja, jotka tekevät näistä järjestelmistä tehokkaita ja skaalautuvia. Tämän ratkaisemiseksi tutkijat työskentelevät erilaisten lähestymistapojen parissa.

Esimerkiksi Kiinan tiedeakatemian päämajan tekemässä tutkimuksessa julkaistu¹ esitteli tässä kuussa Nature-lehdessä pienen rautakatalyytin platinan vaihtoehtona protoninvaihtokalvopolttokennoissa (PEMFC) ja jolla on potentiaalia mullistaa puhtaan energian tulevaisuus.

PEMFC-yhdisteet ovat puhtaita energialähteitä, jotka tuottavat sähköä vedystä ja hapesta, ja vesi on ainoa sivutuote. Ne ovat kuitenkin erittäin riippuvaisia ​​harvinaisesta ja kalliista platinasta katalyyttinä. Joten avuksi Niiden laajan käyttöönoton jälkeen tutkijat ovat kehittäneet näille polttokennoille tehokkaan rautapohjaisen katalyytin.

Älykkään "sisäinen aktivointi, ulkoinen suojaus" -rakenteensa ansiosta uusi katalyytti voi saavuttaa erinomaisen suorituskyvyn ja samalla vähentää haitallisia sivutuotteita.

Vaikka Fe/N–C-katalyytit ovat lupaavimpia vaihtoehtoja platinaryhmän metallikatalyyteille, niiden aktiivisuus ja kestävyys eivät täytä suorituskykykriteerejä. Niin, tiimi suunnitteli ja kehitti uuden tyyppisen Fe/N–C-katalyytin tehty lukuisista nanoprotruusioista, jotka ovat jakautuneet 2D-hiilikerroksiin, joissa on yksittäisiä Fe-atomikohtia upotettuina nanoprotruusioiden sisäkaarevaan pintaan. 

Tämän seurauksena uusi katalyytti pystyi tarjoamaan "yhden parhaiten suoriutuvista" platinaryhmän metallittomista PEMFC-suorituskyvyistä, ja sen aktiivisuus säilyi 86 % jopa yli 300 tunnin jatkuvan käytön jälkeen.

Toinen keskeinen teknologia vedyn tuottamiseksi ilmastoneutraalilla tavalla vesielektrolyysin avulla on protoninvaihtokalvoon perustuva vesielektrolyysi (PEM-WE).

Halutun reaktion kiihdyttämiseksi elektrodit on päällystetty erityisillä elektrokatalyyteillä. Anodina käytetään yleisesti iridiumpohjaisia ​​katalyyttejä, erityisesti happamassa hapenkehitysreaktiossa (OER).

OER on vedenjakamisprosessin happea tuottava vaihe, joka tuottaa puhdasta vetyenergiaa, mutta se on edelleen haastava ja tehoton. Tämä reaktio on tehokkain käytettäessä iridiumpohjaisia ​​katalyyttejä.

Iridium löydettiin vuonna 1803, eikä sitä esiinny luonnossa puhtaassa muodossa. on kaupallisesti hyödynnetty platinan, palladiumin, nikkelin tai kuparin tuotannon sivutuotteena. 

Iridium on tiheä, kova metalli, johon ilma, vesi ja hapot eivät vaikuta. Koska nämä ominaisuudet, se is käytetty sytytystulpissa, tieteellisissä laitteissa, katalyyteissä, elektroniikan johtavissa musteissa ja syövän hoidossa.

Metalli käytetään harvoin puhtaassa muodossa valmistuksen ja valmistuksen vaikeuksien vuoksi; pikemminkin, Se käytetään platinaseosten muodossa.

Iridium (Ir) on kuitenkin arvokas metalli ja yksi harvinaisimmista maankuoren luonnossa esiintyvistä alkuaineista. Iridiumia sisältävät malmit ovat löydetty Etelä-Afrikassa, Yhdysvalloissa (Alaskassa), Brasiliassa, Venäjällä, Myanmarissa ja Australiassa.

Sen niukkuus yhdistettynä sen suuri kysyntä teollisuudenaloilla pitää elektroniikka, mikä tekee siitä erittäin kallista. Iridium on itse asiassa arvokkaampaa kuin kulta, ja sen hinta on lähes 5,000 XNUMX dollaria unssilta.

So, siinä on järkeä tiedemiehet ovat jatkuvasti etsii uusia metalleja iridiumin korvaamiseksi apua PEMWE-menetelmien laajamittainen käyttöönotto. Ei-ir-vaihtoehtojen löytäminen ei kuitenkaan ole suoraviivaista ja on edelleen hidasta laajan suunnittelutilan vuoksi.

Muutama kuukausi sitten, tutkimus² Tohokun yliopiston Advanced Institute for Materials Researchin (AIMR) tutkimuksessa esiteltiin uusi huokoinen kidekatalyytti tehokkaana ja kestävänä ratkaisuna puhtaan vedyn tuotantoon vesielektrolyysin avulla. 

Tässä tutkimuksessa käytetty materiaali on mesohuokoinen, yksikiteinen Co3O4, johon on seostettu atomitasolla dispergoitua iridiumia happaman OER:n aikaansaamiseksi.

Mesohuokoisella spinellirakenteella on keskeinen rooli, sillä se mahdollistaa suuren Ir-kuormituksen (13.8 painoprosenttia) ilman suurten iridiumryppäiden muodostumista. Sen lisäksi, että arkkitehtuuri tarjoaa tilaa Ir-kuormitukselle, se auttaa myös luomaan vakaan ympäristön.

Katalyytti säilytti suorituskykynsä yli 100 tuntia vain 248 mV:n ylipotentiaalilla (η₁₀).

Eräässä toisessa tuoreessa tutkimuksessa tutkijat ovat luoneet "megakirjaston" tutkiakseen miljoonien erilaisten, muutamista keskeisistä metalleista koostuvien nanorakenteiden katalyyttistä aktiivisuutta, mikä auttaa etsimään vaihtoehtoja Ir-katalyyteille OER:ssä skaalautuvasti ja nopeasti.

Klikkaa tästä ja lue lisää siitä, miten jalostamattomat katalyytit tasoittavat tietä edulliselle vedylle.

Nopea katalyytin löytäminen nanoteknologian avulla

- viimeisin tutkimus³ on itse asiassa löytänyt uuden katalyytin vetypolttoaineen tuotannolle, joka on sekä kustannus- että energiatehokas.

Tässä kuussa Journal of the American Chemical Society (JACS) -lehdessä julkaistun katalyytin löydös tehtiin käyttämällä uutta nanopartikkeli-megakirjastoa, ja se vastaa Iridiumin suorituskykyä tai ylittää sen. vetypolttoaineen tuotanto, murto-osalla hinnasta.

Pitkään aikaan nyttutkijat ovat olleet etsii vaihtoehtoja Iridiumille. Mutta mitä otti vuosikymmeniä löydettiin nyt yhden iltapäivän aikana käyttämällä Northwestern Universityn tutkijoiden kehittämää tehokasta uutta työkalua.

Tätä uutta työkalua kutsutaan megakirjastoksi, ja se on maailman ensimmäinen nanomateriaalien "tietotehdas". Jokainen näistä kirjastoista sisältää miljoonia erillisiä nanopartikkeleita yhdellä pienellä sirulla.

Teknologiaa käytettiin sitten yhteistyössä Toyota Research Instituten (TRI) tutkijoiden kanssa kaupallisesti merkityksellisten vedyn tuotantokatalyyttien löytämiseen. Materiaali skaalattiin myöhemmin up, ja osoitettu toimivan laitteen sisällä. Kaikki tämä tehtiin ennätysajassa.

Löytääkseen uusia katalyyttejä tutkijat käytetty neljä edullista, runsaasti metalleja, jotka ovat kaikki tunnettu katalyyttisestä suorituskyvystään. Nämä metallit ovat:

1. Koboltti (CO)
2. Kromi (CR)
3. Mangaani (MN)
4. Rutiini (ru)

Megakirjasto sitten käytettiin seuloa nopeasti näiden metallien laajoja yhdistelmiä uuden materiaalin löytämiseksi, jonka suorituskyky voi vastata iridiumin suorituskykyä.

Tiimi löysikin uuden materiaalin, jonka suorituskyky laboratoriossa oli verrattavissa kaupallisiin iridiumpohjaisiin materiaaleihin. Joissakin tapauksissa suorituskyky jopa ylitti ne murto-osalla kustannuksista.

Tämä löytö voisi mahdollisesti tee vihreästä vedystä kohtuuhintaista.

Lisäksi uusi materiaali osoittaa megakirjastolähestymistavan tehokkuuden, mikä voi muuttaa tapaa, jolla tutkijat löytävät uusia materiaaleja eri aiheisiin. sovelluksissa.

Vanhemman tutkimuksen kirjoittajan Chad A. Mirkinin, megakirjastoalustan pääkehittäjän ja megakirjastojen noin kymmenen vuotta sitten vuonna 2016 esitelleen henkilön, mukaan:

"Olemme ottaneet käyttöön kiistatta maailman tehokkaimman synteesityökalun, jonka avulla kemistit ja materiaalitieteilijät voivat etsiä tärkeitä materiaaleja valtavasta määrästä yhdistelmiä."

Megakirjastoprojektissa tiimi "kanavoi tämän kyvykkyyden energiasektoria kohtaavaan merkittävään ongelmaan". Ongelma, kuten nanoteknologian edelläkävijä Mirkin totesi, oli:

"Kuinka löydämme materiaalin, joka on yhtä hyvä kuin Iridium, mutta jota on runsaammin, helpommin saatavilla ja paljon halvempaa? Tämä uusi työkalu mahdollisti lupaavan vaihtoehdon löytämisen ja sen löytämisen nopeasti."

Mirkin on kemian professori Northwesternin Weinberg College of Arts and Sciencesissa sekä kemian- ja biotekniikan, biolääketieteen ja materiaalitieteen professori McCormick School of Engineeringissä. 

Vihreä vety on kriittinen tarve maailmalle, mutta se on rajoitettu koska se perustuu yhteen harvinaisimmista materiaaleista toimiakseen.

"Maailmassa ei ole tarpeeksi iridiumia täyttämään kaikkia arvioituja tarpeitamme."

– Ted Sargent, kemian professori Weinbergin yliopistossa ja sähkö- ja tietokonetekniikan professori McCormickissa

Sargent ja Mirkin työskentelivät projektin parissa yhdessä.

"Kun mietimme veden jakamista vaihtoehtoisten energiamuotojen tuottamiseksi, iridiumia ei ole riittävästi pelkästään tarjonnan näkökulmasta."

– Sargent

Uusien ehdokkaiden löytäminen tämän metallin korvaamiseksi loi täydellisen sovelluksen uudelle työkalulle, joka voi mullistaa hitaan ja haastavan perinteisen materiaalien löytämisen prosessin. Toisin kuin perinteinen kokeilu- ja erehdysmenetelmä, uudet megakirjastot mahdollistavat optimaalisten koostumusten nopean tunnistamisen.

Jokainen megakirjasto on luotu satojentuhansien pienten, pyramidin muotoisten kärkien ryhmällä, jotka tulostavat yksittäisiä "pisteitä" pinnalle. Jokainen piste sisältää huolellisesti suunniteltua metallisuolojen sekoitusta, jotka kuumennettaessa pelkistyvät muodostaen yksittäisiä, ainutlaatuisia nanopartikkeleita, joilla jokaisella on tarkka koko ja koostumus.

Mirkinin mukaan:

"Voit ajatella jokaista kärkeä pienenä ihmisenä pienessä laboratoriossa." Sen sijaan, että sinulla olisi yksi pikkuruinen henkilö tee yksi rakenne kerrallaan, sinulla on miljoonia ihmisiä. Eli käytännössä kokonainen tutkijoiden armeija on sijoitettu sirulle.”

Sirussa oli yhteensä 156 miljoonaa hiukkasta, joista jokainen muodostui eri yhdistelmistä Co:ta, Cr:tä, Mn:a ja Ru:ta. Sitten robottiskanneri analysoi vain kuinka hyvin ne pystyvät suorittamaan hapenkehitysreaktion (OER). 

Tämä kyky seuloa hiukkasia niiden lopullisen suorituskyvyn perusteella tekee siitä merkittävän innovaation.

"Ensimmäistä kertaa emme ainoastaan ​​pystyneet seulomaan katalyyttejä nopeasti, vaan näimme myös parhaiden katalyyttien toimivan hyvin skaalautuneessa ympäristössä."

– Tutkimuksen toinen kirjoittaja Joseph Montoya, vanhempi tutkija TRI:ssä

Arvioinnin perusteella tutkijat valitsivat 40 parhaiten suoriutuneen ehdokkaita, joiden aktiivisuus vaihtelee matalasta korkeaan, jatkotutkimuksia varten laboratoriossa. RuCoMnCr-oksidit skaalattiin milligrammatasoille ennen niiden katalyyttisen suorituskyvyn tutkimista.

Yksi sävellys erottui joukosta lopulta. Tämä kaikkien neljän metallin tarkka yhdistelmä oli: Ru52Co33Mn9Cr6-oksidi.

Niin, joukkue pystyi saada monimetallikatalyytti, joka on todella tiedetään olevan aktiivisempi kuin sen yksittäismetalliset vastineet.

”Katalyyttimme aktiivisuus on itse asiassa hieman korkeampi kuin iridiumilla ja sen stabiilius on erinomainen”, Mirkin sanoi. ”Tämä on harvinaista, koska rutenium on usein vähemmän stabiilia. Mutta koostumuksen muut alkuaineet stabiloivat ruteniumia.”

Katalyytti tuotti 1.58 V:n jännitteen 1 A/cm2:n virralla ja 1.77 V:n jännitteen 3 A/cm2:n virralla.

Pitkäaikaisen suorituskyvyn osalta tämä uusi katalyytti toimi yli 1,000 XNUMX tuntia erittäin tehokkaasti ja huomattavan vakaasti ankarassa happamassa ympäristössä kustannustehokkaasti. noin yksi kuudestoistaosa Iridium.

"Tämän kaupallisen kannattavuuden saavuttamiseksi on paljon työtä tehtävänä, mutta on erittäin jännittävää, että pystymme tunnistamaan lupaavia katalyyttejä niin nopeasti – ei vain laboratoriotasolla, vaan myös laitteissa."

– Montoya

Uuden katalyytin löytämiseksi tiimi on luonut massiivisia korkealaatuisia materiaaliaineistoja, jotka voivat tasoittaa tietä koneoppimiselle ja tekoälylle seuraavan sukupolven uusien materiaalien suunnittelussa.

TRI, Northwestern ja sen spin-out-yritys Mattiq ovat jo kehittäneet algoritmin megakirjastojen läpikäymiseksi huimaa vauhtia. 

Silti se on vasta alkua. Kuten tekoälynkin kohdalla, megakirjastolähestymistapa voi skaalautua pelkän energianmuuntamisen katalyyttien kiihdytetyn löytämisen ulkopuolelle ja mullistaa materiaalien löytämisen lähes mille tahansa teknologialle, kuten edistyneille optisille komponenteille, biolääketieteellisille laitteille, akuille ja muille.

”Aiomme etsiä kaikenlaisia ​​materiaaleja akkuihin, fuusioon ja muuhun”, Mirkin sanoi. ”Maailma ei käytä parhaita materiaaleja tarpeisiinsa. Ihmiset löysivät parhaat materiaalit tiettynä ajankohtana, käytettävissä olevien työkalujen ansiosta. Ongelmana on, että meillä on nyt valtava infrastruktuuri rakennettu näiden materiaalien ympärille, ja olemme jumissa niiden kanssa. Haluamme kääntää tämän ylösalaisin. On aika todella löytää parhaat materiaalit jokaiseen tarpeeseen – ilman kompromisseja.”

Investointi vedyn voimaan

Bloom Energy Corp (BE + 2.14%) harjoittaa kiinteää polttokennoenergian tuotantoa. It tarjoaa kaksi tuotteita kaupallisestiBloom Electrolyzer vedyn tuotantoon ja Bloom Energy Server sähkön tuotantoon.

Yritys tuottaa vetyä suurimmasta elektrolyysilaitteesta maailmassa, , joka on asennettu NASAn Amesin tutkimuskeskukseen, tuottamassa noin 25 % enemmän vetyä megawattia kohden kuin kaupallisissa elektrolyysereissä pitää PEM tai emäksinen.

Tähän mennessä Bloom Energy on ottanut käyttöön 1.5 GW vähähiilistä energiaa yli 1,200 XNUMX laitoksessa maailmanlaajuisesti.

BE:n osakkeiden markkina-arvo on 12.38 miljardia dollaria, ja niiden hinta on 53.15 dollaria, mikä on 138.36 % nousua vuoden alusta. Yhtiön osakkeet ylittivät hiljattain 55 dollaria ja saavuttivat uusia huippuja hyperskaalaajien ja datayritysten lisääntyneen kiinnostuksen ansiosta. keskuksissa. Myös, takaisin heinäkuussa yritys solmi merkittävän sopimuksen Oraclen kanssa ja vihjasi lisää tällaisia ​​sopimuksia tulevaisuudessa.

Sen osakekohtainen tulos (TTM) on 0.11 ja P/E (TTM) 495.23.

Mitä tulee talousasioihin, niin minät raportoi liikevaihdon kasvaneen 19.5 % edellisvuodesta 401.2 miljoonaan dollariin toisella neljänneksellä, joka päättyi 30. kesäkuuta 2025. Bruttokatemarginaali oli 26.7 % ja ei-GAAP-bruttokatemarginaali 28.2 %. Liiketappio oli 3.5 miljoonaa dollaria ja ei-GAAP-liikevoitto 28.6 miljoonaa dollaria.

”Tekoälyn nopean kasvun myötä paikan päällä tapahtuvasta tehosta tulee yhä itsestäänselvämpää, eikä Bloomin tuotteilla ole koskaan ollut suurempaa markkinavetoa. Toisin kuin vaihtoehdot, tuotteemme on suunniteltu erityisesti digitaalista vallankumousta varten.”

– Perustaja ja toimitusjohtaja KR Sridhar

Uusin Bloom Energy Corp (OLLA) Osakeuutiset ja -kehitys

Yhteenveto

Maailmankaikkeuden yksinkertaisin ja yleisin alkuaine, vety, lupaa tien kohti vihreämpi tulevaisuus. Tällä alkuaineella on loppujen lopuksi potentiaalia kuroa umpeen uusiutuvan energian vaihtelevuus ja vähentää hiilidioksidipäästöjä vaikeasti hillittävillä aloilla. Mutta tämän lupauksen toteuttaminen vaatii investointeja, innovaatioita ja yhteistyötä eri toimialojen välillä.

Katalyyttien ja elektrolyysin uusimmat läpimurrot voivat auttaa tehostamaan vedyn tuotantoa ja siten nopeuttamaan siirtymistä kestävään energiatalouteen.

Viitteet:

1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C., ym. Happaman hapen pelkistys yksiatomisilla Fe-katalyyteillä kaarevilla alustoilla. luonto, 644, 668–675, julkaistu 13. elokuuta 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6
2.  Wang, Y., Qin, Y., Liu, S., Zhao, Y., Liu, L., Zhang, D., Zhao, S., Liu, J., Wang, J., Liu, Y., Wu, H., Jia, B., Qu, X., Li, H., Qin, M. Mesohuokoiset yksikiteiset hiukkaset kestävinä ja tehokkaina happaman hapen kehityskatalyytteinä. Journal of the American Chemical Society, 147(16), 13345–13355, julkaistu 8. huhtikuuta 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.4c18390
3. Huang, J., Wang, Z., Liang, J., Li, XY., Pietryga, J., Ye, Z., Smith, PT, Kulaksizoglu, A., McCormick, CR, Kim, J., Peng, B., Liu, Z., Xie, K., Torrisi, SB, W. Montoya, G. H., Mirkin, Kalifornia Happikehitysreaktiokatalyyttien löytämisen vauhdin nopeuttaminen megakirjastojen avulla. Journal of American Chemical Society, 147(34), julkaistu 19. elokuuta 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.5c08326