Розкриття ефективного виробництва водню для чистої енергії

Постійне зростання населення та економіки світу призвело до значного зростання попиту на енергію, близько 80% якого зустрічається за рахунок викопного палива. Ці ресурси не лише різко скорочуються, але й відповідають за значне збільшення парникові гази (ПГ) в навколишньому середовищі.

В результаті, зараз спостерігається дедалі більша увага до відновлюваних джерел енергії, такі як сонце, вітер, вода, органічна речовина та Земля тепло.

Відновлювані джерела енергії, що походять з природних ресурсів, що самовідновлюються, є важливими для чистих та стійких енергетичних систем. Однак вони стикаються з численними проблемами, включаючи нерегулярну доступність, високі початкові витрати, географічні обмеження та великі потреби в просторі. 

Цей саме тут на сцену виходить водень. Глобальний попит на водень зріс до 97 мільйонів тонн (Мт) у 2023 році, що на 2.5% більше, ніж у попередньому році. 

Роль водню в переході до чистої енергії

Найлегший елемент у Всесвіті, водень, стала перспективним рішенням для досягнення більш сталої енергетичної екосистеми завдяки своїй гнучкості та здатності зберігати значну кількість енергії відносно своєї ваги.

Це не первинне джерело, як сонце, а вторинне, оскільки воно повинен be вироблений з інших видів сировини, таких як вода, природний газ або біомаса.

При виробництві з використанням викопного палива, такого як природний газ (що наразі є найпоширенішим методом), водень не є чистою енергією, оскільки він становить значні щорічні викиди CO2.

Однак, при використанні в паливному елементі водень утворює лише водяну пару як побічний продукт, що робить його чистим паливом.

Як універсальний енергоносій, водень може допомогти вирішити кілька критичних енергетичних проблем. Він може сприяти інтеграції відновлюваних джерел енергії в електроенергетичну систему, зберігаючи енергію протягом тижнів або навіть місяців.

Низьковуглецевий водень, вироблений за допомогою ядерної або відновлюваної енергії, або викопного палива з використанням уловлювання вуглецю, тим часом, може допомогти декарбонізувати низку секторів. Важка промисловість та транспорт на великі відстані, де скорочення викидів є особливо складним завданням, можуть значною мірою виграти від цього. Однак це виробництво водню все ще відіграє незначну роль, нижче 1% у 2023 році.

Водень насправді може бути похідним з різних технологій. Один з найефективніших методів виробництва Сталий водень виробляється шляхом електролізу води. У цьому енергоємному електролізі електрика використовується розщеплювати воду на водень і кисень. Технологія є добре розвинені та комерційно доступний, хоча його оціночна енергоефективність становить близько 52%.

Інший підхід — плазмоліз, який має показано вихід енергії нарівні з електроліз з додаванням перевагу зниженого енергоспоживання, нижчої основної вартості та меншого розміру обладнання. Останні досягнення в мікрофлюїдиці та мікроплазми зробили виробництво водню методом плазмолізу водяної пари прибутковим з точки зору енергоефективності.

Інше способи отримання До методів отримання водню для електроенергії належать фотокаталіз, біоводень та термохімічні процеси.

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Хоча воднева технологія є перспективною, вона широко поширена використання ще обличчя утруднення з точки зору виробництва коштувати, ефективність та загальна екологічна стійкість. Однак, враховуючи потребу в чистіших джерелах енергії, дослідники в усьому світі постійно шукають шляхи вирішення ці проблеми з новими матеріалами та краща техніка.

Інновації каталізаторів, що сприяють підвищенню ефективності використання водню

У міру розвитку водневих технологій від концепції до комерціалізації, однією з ключових проблем є з матеріали, які роблять ці системи ефективними та масштабованими. Щоб вирішити цю проблему, вчені працюють над різними підходами.

Наприклад, дослідження, проведене штаб-квартирою Китайської академії наук, опублікований¹ Цього місяця в журналі Nature було представлено крихітний залізний каталізатор як альтернативу платині в паливних елементах з протонно-обмінною мембраною (PEMFC), який має потенціал змінити майбутнє чистої енергетики.

PEMFC – це пристрої для чистої енергії, які виробляють електроенергію з водню та кисню, причому єдиним побічним продуктом є вода. Але вони значною мірою залежать від рідкісної та дорогої платини як каталізатора. Отже, щоб допомогти з Завдяки їх широкому поширенню, дослідники розробили високоефективний каталізатор на основі заліза для цих паливних елементів.

Завдяки своїй розумній конструкції «внутрішня активація, зовнішній захист», новий каталізатор може досягти чудової продуктивності, одночасно зменшуючи кількість шкідливих побічних продуктів.

Хоча каталізатори Fe/N–C є одними з найперспективніших альтернатив каталізаторам на основі металів платинової групи, їхня активність та довговічність не можуть відповідати критеріям ефективності. Таким чином, Команда розробила та розробила новий тип каталізатора Fe/N–C made численних нановиступів, розподілених на двовимірних вуглецевих шарах з окремими сайтами атомів Fe, вбудованими у внутрішню вигнуту поверхню нановиступів. 

В результаті, новий каталізатор зміг забезпечити «одну з найкращих» характеристик PEMFC без металів платинової групи, зберігаючи 86% активності навіть після понад 300 годин безперервної роботи.

Ще однією ключовою технологією для виробництва водню кліматично нейтральним способом за допомогою електролізу води є електроліз води з використанням протонно-обмінної мембрани (PEM-WE).

Для прискорення бажаної реакції використовують електроди покриті зі спеціальними електрокаталізаторами. Для анода зазвичай використовуються каталізатори на основі іридію, особливо для реакції виділення кисню в кислому середовищі (РКК).

ОЕР – це етап виробництва кисню в процесі розщеплення води, який генерує чисту водневу енергію, але він залишається складним та неефективним. Ця реакція є найефективнішою, коли використовуються каталізатори на основі іридію.

Відкритий у 1803 році, іридій не зустрічається в природі в чистому вигляді, але комерційно відновлюється як побічний продукт виробництва платини, паладію, нікелю або міді. 

Іридій — це щільний, твердий метал, який не піддається впливу повітря, води та кислот. Тому що ці властивості, це is використовуваний у свічках запалювання, науковому обладнанні, каталізаторах, струмопровідних чорнилах для електроніки та лікуванні раку.

Метал використовується рідко у чистому вигляді через труднощі у підготовці та виготовленні; швидше, Він використовується у вигляді платинових сплавів.

Іридій (Ir), однак, є цінним металом і одним із найрідкісніших природних елементів у земній корі. Руди, що містять іридій знайдені у Південній Африці, Сполучених Штатах (Аляска), Бразилії, Росії, М'янмі та Австралії.

Його дефіцит у поєднанні з його високий попит з боку промисловості як електроніка, робить його дуже дорогим. Іридій насправді цінніший за золото, його ціна становить майже 5,000 доларів за унцію.

So, це має сенс вчені постійно шукаю нові метали для заміни іридію, щоб допомогти широкомасштабне впровадження PEMWE. Однак відкриття альтернатив, відмінних від Ir, не є простим і залишається повільним через величезний простір для розробки.

Кілька місяців тому, дослідження² з Передового інституту досліджень матеріалів (AIMR) при Університеті Тохоку детально описали новий пористий кристалічний каталізатор як ефективне та довговічне рішення для виробництва чистого водню шляхом електролізу води. 

Матеріалом у цьому дослідженні є мезопористий монокристалічний Co3O4, легований атомарно дисперсним іридієм, для кислого OER.

Мезопориста структура шпінелі відіграє ключову роль, оскільки вона дозволяє досягати високого вмісту іридію (13.8 мас.%) без утворення великих кластерів іридію. Окрім забезпечення простору для завантаження іридію, така архітектура також сприяє створенню стабільного середовища.

Каталізатор зберігав свою працездатність протягом понад 100 годин при перенапрузі (η₁₀) лише 248 мВ.

В іншому нещодавньому дослідженні дослідники створили «мегабібліотеку» для вивчення каталітичної активності мільйонів різних наноструктур, що складаються з кількох ключових металів, допомагаючи шукати альтернативи ірнієвим каталізаторам для відкритого резонансу (OER) у великих масштабах та швидко.

Натисніть тут, щоб дізнатися, як неблагородні каталізатори прокладають шлях до доступного водню.

Швидке відкриття каталізаторів за допомогою нанотехнологій

Команда останнє дослідження³ фактично знайшов новий каталізатор для виробництва водневого палива, який є одночасно економічно та енергоефективним.

Опубліковано цього місяця в журналі Американського хімічного товариства (JACS), відкриття каталізатора було зроблено за допомогою нової мегабібліотеки наночастинок, і воно відповідає або перевершує продуктивність Iridium у виробництво водневого палива, на частку вартості.

Довго зараз, дослідники були шукаю альтернативи Іридіуму. Можливості що прийняли десятиліття було виявлено протягом одного дня за допомогою нового потужного інструменту, розробленого вченими з Північно-Західного університету.

Цей нещодавно винайдений інструмент називається мегабібліотекою, яка є першою у світі «фабрикою даних» наноматеріалів. Кожна з цих бібліотек містить мільйони різних наночастинок на одному крихітному чіпі.

Потім цю технологію було використано у співпраці з дослідниками з Науково-дослідного інституту Toyota (TRI) для пошуку комерційно придатних каталізаторів для виробництва водню. Згодом матеріал був масштабований up, і показано, що він працює всередині пристрою. Все це було зроблено в рекордний термін.

Щоб відкрити нові каталізатори, дослідники використовуваний чотири недорогих, багаті метали, які є всі відомі своєю каталітичною дією. Ці метали:

1. Кобальт (CO)
2. Хром (CR)
3. Марганець (МН)
4. Рутеній (Ru)

Мегабібліотека потім використовувався швидко дослідити величезну кількість комбінацій цих металів, щоб знайти новий матеріал, характеристики якого можуть зрівнятися з іридієм.

Команда все ж таки знайшла один такий новий матеріал, який за лабораторними показниками був порівнянний з комерційними матеріалами на основі іридію. У деяких випадках показники навіть перевершували їх за значно меншу ціну.

Це відкриття могло б потенційно зробити зелений водень доступним.

Більше того, новий матеріал демонструє ефективність мегабібліотечного підходу, який може змінити спосіб, у який дослідники відкривають нові матеріали для різних... додатків.

За словами старшого автора дослідження Чада А. Міркіна, головного винахідника платформи мегалібретто та того, хто фактично представив мегалібретто близько десяти років тому, у 2016 році:

«Ми розкрили, мабуть, найпотужніший у світі інструмент синтезу, який дозволяє шукати серед величезної кількості комбінацій, доступних хімікам та матеріалознавцям, матеріали, які мають значення».

У проєкті мегабібліотеки команда «спрямувала цей потенціал на вирішення серйозної проблеми, з якою стикається енергетичний сектор». Проблема, як зазначав піонер нанотехнологій Міркін, полягала в наступному:

«Як нам знайти матеріал, який би був таким же хорошим, як іридій, але водночас більш поширеним, доступнішим і набагато дешевшим? Цей новий інструмент дозволив нам знайти перспективну альтернативу та швидко її знайти».

Міркін — професор хімії в Коледжі мистецтв і наук Вайнберга на Північно-Західному університеті та професор хімічної та біологічної інженерії, біомедичної інженерії, а також матеріалознавства та інженерії в Інженерній школі Маккорміка. 

Зелений водень є критичною потребою світу, але він обмежено завдяки своїй залежності від одного з найрідкісніших матеріалів для функціонування.

«У світі недостатньо іридію, щоб задовольнити всі наші прогнозовані потреби».

– Тед Сарджент, професор хімії у Вайнберзі та професор електротехніки та обчислювальної техніки в Маккормікському університеті

Сарджент і Міркін працювали над проєктом разом.

«Коли ми думаємо про розщеплення води для отримання альтернативних форм енергії, іридію не вистачає лише з точки зору постачання».

– Сарджент

Відкриття нових кандидатів на заміну цього металу зробило ідеальне застосування для нового інструменту, який може революціонізувати повільний і складний традиційний процес пошуку матеріалів. На відміну від традиційного методу спроб і помилок, нові мегабібліотеки дозволяють швидко визначати оптимальні склади.

Кожна мегабібліотека була створена з групи з сотень тисяч крихітних наконечників пірамідальної форми для друку окремих «крапок» на поверхні. Кожна крапка тут містить ретельно розроблену суміш солей металів, які при нагріванні відновлюються, утворюючи окремі унікальні наночастинки, кожна з яких має точний розмір і склад.

За словами Міркіна:

«Ви можете уявити кожну наконечник як крихітну людину в крихітній лабораторії». Замість того, щоб мати один крихітний людина зробити одне структура одночасно, у вас є мільйони людей. Отже, у вас фактично є ціла армія дослідників, розгорнута на одному чіпі».

Загалом чіп містив 156 мільйонів частинок, кожна з яких утворена з різних комбінацій Co, Cr, Mn та Ru. Потім робот-сканер проаналізував просто наскільки добре вони можуть виконувати реакцію виділення кисню (РВК). 

Ця здатність перевіряти частинки на предмет їхньої максимальної продуктивності є важливою інновацією.

«Вперше ми змогли не лише швидко провести скринінг каталізаторів, але й побачили, що найкращі з них добре працюють у збільшених умовах».

– Співавтор дослідження Джозеф Монтойя, старший науковий співробітник TRI

На основі оцінки дослідники відібрали 40 найефективніші кандидати, від низької до високої активності, для подальшого тестування в лабораторії. Оксиди RuCoMnCr були масштабовані до міліграмових рівнів, перш ніж досліджувати їх каталітичну ефективність.

Одна композиція виділялася в кінці кінців. Ця точна комбінація всіх чотирьох металів була: оксид Ru52Co33Mn9Cr6.

Таким чином, команда змогла отримати багатометалевий каталізатор, який є насправді відомо, що він активніший, ніж його однометалеві аналоги.

«Наш каталізатор насправді має трохи вищу активність, ніж іридій, і чудову стабільність», — сказав Міркін. «Це трапляється рідко, тому що рутеній часто менш стабільний. Але інші елементи у складі стабілізують рутеній».

Каталізатор генерував напругу 1.58 В при 1 А/см2 та 1.77 В при 3 А/см2.

Що стосується довгострокової роботи, то цей новий каталізатор пропрацював понад 1,000 годин з високою ефективністю та надзвичайною стабільністю в жорсткому кислому середовищі, водночас маючи низьку вартість. Про бренд одна шістнадцята Іридій.

«Потрібно ще багато роботи, щоб зробити це комерційно життєздатним, але дуже цікаво, що ми можемо так швидко ідентифікувати перспективні каталізатори – не лише в лабораторному масштабі, але й для пристроїв».

– Монтойя

У процесі пошуку нового каталізатора команда створила масивні високоякісні набори даних про матеріали, які можуть прокласти шлях для машинного навчання та штучного інтелекту для проектування наступного покоління нових матеріалів.

TRI, Northwestern та її спін-проект Mattiq вже розробили алгоритм для пошуку в мегабібліотеках з шаленою швидкістю. 

Однак це лише початок. Як і у випадку зі штучним інтелектом, мегабібліотечний підхід може масштабуватися не лише для прискореного відкриття каталізаторів для перетворення енергії, а й для трансформації відкриття матеріалів практично для будь-якої технології, такої як передові оптичні компоненти, біомедичні пристрої, батареї тощо.

«Ми збираємося шукати всілякі матеріали для акумуляторів, термоядерного синтезу тощо», – сказав Міркін. «Світ не використовує найкращі матеріали для своїх потреб. Люди знайшли найкращі матеріали в певний момент часу, враховуючи доступні їм інструменти. Проблема полягає в тому, що зараз у нас є величезна інфраструктура, побудована навколо цих матеріалів, і ми застрягли з ними. Ми хочемо перевернути це з ніг на голову. Настав час справді знайти найкращі матеріали для будь-яких потреб – без компромісів».

Інвестування в силу водню

Bloom Energy Corp. (BE ) займається стаціонарним виробництвом електроенергії на паливних елементах. It забезпечує два продукти комерційно: електролізер Блума для виробництва водню та енергетичний сервер Блума для вироблення електроенергії.

Компанія виробляє водень на найбільшому електролізері в світі, який встановлено в Дослідницькому центрі Еймса НАСА, генеруючи приблизно На 25% більше водню на мегават, ніж у комерційних електролізерах як ПЕМ або лужний.

Наразі Bloom Energy розгорнула 1.5 ГВт низьковуглецевої енергії на понад 1,200 установках по всьому світу.

З ринковою капіталізацією в 12.38 мільярда доларів акції BE торгуються за ціною 53.15 долара, що на 138.36% більше, ніж з початку року. Нещодавно акції компанії перевищили позначку в 55 доларів, досягши нових максимумів завдяки підвищеному інтересу з боку гіперскейлерів та фахівців з обробки даних. центри. Також, назад У липні компанія уклала знакову угоду з Oracle та натякнула на більше такі угоди в майбутньому.

Його прибуток на акцію (TTM) становить 0.11, а коефіцієнт P/E (TTM) – 495.23.