Katalizatory żelazne sprawiają, że ogniwa paliwowe wodorowe są praktyczne

Ogniwa paliwowe wodorowe: katalizatory żelazne jako alternatywa dla platyny

Teoretycznie wodór mógłby okazać się idealnym paliwem dla zielonej przyszłości: można go wytwarzać z odnawialnej energii elektrycznej, nie wydziela żadnych zanieczyszczeń podczas konsumpcji i do jego produkcji potrzebna jest jedynie woda.

Jednak produkcja wodoru przy odpowiednio niskich kosztach okazała się wyzwaniem. Alternatywne systemy, takie jak jednoczesna koprodukcja słodkiej wody, nowe katalizatory wodorowe, które nie wymagają metali szlachetnychlub fotokataliza, są badane.

Kolejnym krokiem, który zmniejsza opłacalność komercyjną wodoru, jest etap jego zużycia. Gdy wodór nie jest wykorzystywany w silniku spalinowym (podobnym do silnika spalinowego, ale o niższej sprawności), stosuje się ogniwa paliwowe, które zazwyczaj wymagają kosztownej platyny jako katalizatora.

Nie tylko zwiększa to koszty ogniw paliwowych, ale może również utrudniać masowe stosowanie wodoru jako paliwa, ponieważ platyna i metale z nią związane, takie jak pallad, występują na Ziemi bardzo rzadko, co utrudnia zwiększenie ich produkcji.

Na szczęście pojawiają się alternatywy dzięki pracy chińskich naukowców z wielu czołowych instytucji badawczych w kraju: Chińskiej Akademii Nauk, Uniwersytetu w Shenzhen (Chiny), Uniwersytetu Południowo-Wschodniego (Chiny), Uniwersytetu Tsinghua, Pekińskiego Uniwersytetu Technologii Chemicznej, Miejskiego Uniwersytetu w Hongkongu i Uniwersytetu Xiamen.

Opublikowali¹ odkrycie nowego katalizatora na bazie żelaza do ogniw paliwowych w prestiżowym czasopiśmie naukowym Nature pod tytułem „Redukcja kwaśnego tlenu za pomocą katalizatorów jednoatomowych Fe na zakrzywionych nośnikach".

Jak działają ogniwa paliwowe

Częścią ogniw paliwowych, która wytwarza energię elektryczną ze spalania wodoru, są membrany wymiany protonów (PEM).

Ogniwa paliwowe działają poprzez katalizowanie konwersji wodoru (H₂) na protony (jony H+) + elektrony, wytwarzając prąd elektryczny. Jak wspomniano wcześniej, tym katalizatorem jest tradycyjnie platyna, drogi metal.

Źródło: Wikipedia

Zamiast tego chińscy naukowcy stworzyli nową konstrukcję katalizatora, określaną jako „wewnętrzna aktywacja, zewnętrzna ochrona”, która opiera się na prostym żelazie jako katalizatorze.

Katalizatory wodorowe na bazie żelaza

Wyzwania związane z katalizatorami żelaznymi w ogniwach paliwowych

Pomysł wykorzystania katalizatora żelazowego, który ma naturalną zdolność wychwytywania tlenu (tendencję powszechnie znaną jako „rdza”) i wiązania go z jonami wodoru, nie jest nowy.

Jednak jak dotąd proces ten był utrudniony przez niepożądane reakcje chemiczne, zwłaszcza silną adsorpcję utlenionych produktów pośrednich reakcji oraz demetalizację atomów żelaza. W efekcie atomy żelaza albo „utkwiły” w związkach bogatych w tlen, albo przestały działać jako katalizatory.

Aby powstrzymać te niepożądane reakcje, naukowcy stworzyli unikalną nanostrukturę dla katalizatora żelaznego.

Nanostrukturyzowane puste katalizatory żelazne

Tradycyjne katalizatory żelazne opierają się na zewnętrznej powierzchni nośników grafenowych lub węglowych, co ogranicza ilość żelaza dostępnego do pożądanych reakcji z wodorem.

Zamiast tego, zastosowana metoda polegała na stworzeniu wewnętrznej zakrzywionej powierzchni z miejscem katalitycznym w postaci pojedynczego atomu żelaza.

Każde z tych miejsc znajduje się w nano-ograniczonej, pustej strukturze wielopowłokowej (HoMS). Te nano-HoMS są rozproszone i związane z dwuwymiarową warstwą węgla, podobnie jak grafen.

Źródło: researchgate

Nanocząsteczki puste mają około 10 nm × Rozmiary wynoszą 4 nm i składają się z wielu powłok, w których atomy żelaza są skoncentrowane w warstwach wewnętrznych z dużą gęstością. Spektroskopia absorpcyjna promieniowania rentgenowskiego metodą synchrotronową wykazała, że ​​te wewnętrzne atomy żelaza znajdują się w stanie katalitycznie aktywnym w 57.9%.

Źródło: researchgate

Wzrost wydajności dzięki katalizatorom żelazowym

Przesuń, aby przewijać →

Nanostruktura osłabia siłę wiązania utlenionych produktów pośrednich reakcji, usuwając główne ograniczenie katalizatorów na bazie żelaza.

Źródło: researchgate

Zmniejsza również szybkość wytwarzania rodnika hydroksylowego (•OH), bardzo reaktywnej i szkodliwej cząsteczki, która zawsze stanowi potencjalny problem w reakcjach tlenu z wodorem.

Końcowym efektem jest ogniwo paliwowe wykorzystujące katalizatory żelazowe, które znacznie przewyższa inne konstrukcje zarówno pod względem gęstości mocy szczytowej, jak i gęstości prądu (czerwone gwiazdki poniżej), osiągając rekordowo wysoką gęstość mocy wynoszącą 0.75 W cm−2 przy ciśnieniu 1.0 bara H2–powietrze.

Źródło: researchgate

Ta konstrukcja katalizatora jest również o wiele trwalsza od poprzednich wersji katalizatorów na bazie żelaza i utrzymuje wydajność na poziomie 86% po ponad 300 godzinach pracy.

Źródło: researchgate

Podsumowanie

Gospodarka wodorowa będzie możliwa dopiero po rozwiązaniu problemów ekonomicznych, przy użyciu łatwych w produkcji katalizatorów i wykorzystaniu powszechnie dostępnych i tanich materiałów.

W tym kontekście żelazo, będące jednym z najchętniej wydobywanych i najtańszych metali na świecie, byłoby idealnym kandydatem.

Oznacza to również, że stosunkowo szybki spadek wydajności w czasie (który prawdopodobnie można by jeszcze poprawić w porównaniu z pierwszym eksperymentalnym projektem) byłby mniejszym problemem, a część katalizatora ogniwa paliwowego można by po prostu regularnie wymieniać na nową, a zużytą poddawać recyklingowi lub regenerować, przywracając jej pierwotną wydajność.

Inwestowanie w technologię ogniw paliwowych

Podłącz Power Inc.

Plug Power jest liderem w dziedzinie zielonego wodoru, koncentrując się na ogniwach paliwowych. Firma informuje o ponad 72,000 300 zainstalowanych ogniwach paliwowych w ponad 40,000 lokalizacjach, co przekłada się na znaczący udział w flotach pojazdów do transportu materiałów. W szczególności, jej ogniwa paliwowe zasilają ponad 8 2013 wózków widłowych, a przychody wzrosły ośmiokrotnie od XNUMX roku.

Zajmuje się również budową infrastruktury wodorowej, obejmującej m.in. produkcję wodoru, logistykę, wytwarzanie energii na skalę przemysłową oraz dostawy.

Źródło: Podłącz zasilanie

Firma stawia sobie za cel redukcję kosztów produkcji wodoru z 10 do 4 dolarów/kg, a jednocześnie 14-krotne zwiększenie produkcji do 2027 roku. Powinna również zastąpić cały wodór pochodzący ze źródeł zewnętrznych, który często był odsprzedawany klientom ze stratą.

Ze względu na ogromne inwestycje mające na celu 19-krotne zwiększenie mocy produkcyjnych od 2020 r., spółka nie jest jeszcze rentowna, ale postęp w pozyskiwaniu własnego wodoru powinien to zmienić.

Firma postrzega swoje rozwiązania jako bezpośrednie paliwo dla mobilności lub uzupełnienie pojazdów elektrycznych, ponieważ wodór pozwala na zmniejszenie obciążenia sieci w godzinach szczytu ładowania pojazdów elektrycznych, które nie pokrywają się z okresami produkcji energii odnawialnej w ciągu dnia.

Źródło: Podłącz zasilanie

Jako czołowy producent ogniw paliwowych, Plug Power odniósłby ogromne korzyści z przejścia na gospodarkę opartą na wodorze. W jego projektach można by zintegrować tańszy katalizator ogniw paliwowych, co przyspieszyłoby tempo wdrażania pojazdów wodorowych i magazynowania energii w sieciach elektroenergetycznych.

Dzięki temu spółka Plug Power jest dobrym inwestorem, który może obstawiać rozwój technologii wodorowych, biorąc pod uwagę wzrost popytu na ogniwa paliwowe tej firmy za każdym razem, gdy zostanie wynaleziona tańsza metoda produkcji, przechowywania, transportu lub wykorzystania wodoru.

Najnowsze wiadomości i wydarzenia dotyczące akcji Plug Power Inc (PLUG)

Badanie, do którego się odniesiono

^{1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. i in. Redukcja kwaśnego tlenu za pomocą katalizatorów jednoatomowych Fe na zakrzywionych nośnikach. Natura 644, 668 – 675 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}