Виявлено нові шляхи до більш ефективного виробництва водню

Пошук правильного водневого каталізатора

Теоретично водень може бути ідеальним паливом для накопичення енергії та енергетичних програм, які важко електрифікувати. Це пояснюється тим, що він має декілька майже ідеальних характеристик:

• Побічним продуктом його згоряння є тільки вода
  • І те саме можна сказати, коли він використовується для виробництва електроенергії в паливних елементах.
• Він може горіти при дуже високих температурах, що робить його хорошою альтернативою природному газу в металургії, хімічних процесах тощо.
• Для його виробництва потрібна лише вода як ресурс.
• Водень сам по собі нетоксичний і не забруднює навколишнє середовище.

Однак розвиток економіки, заснованої на водні, перешкоджає труднощам виробництва водню економічно ефективним способом. Це пов’язано з тим, що більша частина екологічно чистого водню (виробленого з екологічно чистої енергії) виробляється за допомогою електролізу, який наразі переважно базується на дорогих каталізаторах, таких як платина, рутеній або іридій, кожен з яких є дуже рідкісним і дорогим металом.

Тож поки не існує кращого методу виробництва водню, малоймовірно, що ми зможемо побачити, як він замінить викопне паливо в масштабах.

На щастя, це швидко змінюється. Зокрема, ми раніше розглядали деякі з цих можливостей перетворення пластикових відходів на водень, Використовуючи наностриженьс нікель як альтернативний каталізатор, або використовуючи металобрухт титану та нікелю (стружка), що утворюється при виготовленні металевих деталей. Зараз дослідники додають нові варіанти.

Перший – це створення самооптимізуючих каталізаторів¹ дослідниками з Університету Йоганна Гутенберга (Німеччина) і Технічного університету Дармштадта (Німеччина), Інституту дослідження полімерів Макса Планка (Німеччина), Харбінського технологічного інституту (Китай) і Шаньдунського університету (Китай). Було опубліковано в Angewandte Chemie під назвою "Самооптимізуючі електрокаталізатори на основі оксиду кобальту та вольфраму для посиленого виділення кисню в лужних середовищах».

Другий — винахід методу перетворення осаду стічних вод на зелений водень і корм для тварин² дослідниками з Технологічного університету Наньян (Сінгапур), Університету Монаш (Австралія) та Університету Гонконгу (Китай). Було опубліковано в Природа Вода під назвою "Електрореформінг осаду стічних вод на сонячних батареях у поєднанні з біологічною воронкою для спільного виробництва зеленої їжі та водню".

Фіксація водневих каталізаторів

Постійною проблемою всіх каталізаторів, що виробляють водень, є те, що вони з часом руйнуються. Це може бути пов’язано з утворенням відкладень на реакційноздатних металах або через те, що сам металевий шар повільно руйнується та втрачає компоненти під час кожного циклу каталізу.

Це особливо проблематично для дорогих каталізаторів групи платинових металів, але це також проблема для інших типів каталізаторів на основі металів.

Отже, важливо, що німецькі та китайські дослідники першого дослідження, яке тут обговорюється, спостерігали самооптимізовану поведінку своїх нових каталізаторів.

«Унікальність нашого каталізатора полягає в тому, що він фактично покращує свою продуктивність з часом, тоді як звичайні каталізатори або зберігають свою продуктивність на постійній швидкості, або навіть втрачають її частину через недостатню довговічність».

Доктор Дандан Гао – дослідник Університету Йоганна Гутенберга в Майнці

Кобальт-вольфрамовий каталіз

Вирішення проблемної точки виробництва водню

Дослідники зосередилися на так званих 3d-5d оксидах перехідних металів, сформульованих як змішаний метал.

Вони здатні здійснювати хімічну реакцію, звану реакцією виділення кисню (OER), яка становить половину реакції, що відбувається під час електролізу води в водень, в обох найпоширеніших конструкціях електролізерів (електролізери AEM і PEM).

джерело: SpectroInlet

 «Під час розщеплення води відбуваються дві реакції. Реакція виділення водню (HER), яка утворює газоподібний водень, і реакція виділення кисню (OER), яка утворює газоподібний кисень. OER є вузьким місцем для всієї реакції. Ось чому ми так прагнемо розробити каталізатор, який може сприяти напівреакції OER».

Доктор Дандан Гао – дослідник Університету Йоганна Гутенберга в Майнці

Однак ці нові потенційні каталізатори все ще погано вивчені, мало відомо про те, що саме відбувається на атомному рівні під час реакції, або навіть про електрохімічну форму, яку приймає метал.

Це нерозуміння є великою перешкодою для розробки комерційно життєздатного рішення, оскільки воно також обмежує здатність закріплювати каталізатори на стабільній підкладці.

Однокроковий метод депозиту

Дослідники використовували мікроквітковий субстрат з оксиду міді (L−CuO) діаметром 3–5 мкм, попередньо розроблений у їхній лабораторії у 2020 році.

Потім вони використали метод хімічного осадження, щоб створити шар кобальт-вольфрамового сплаву на поверхні мідної підкладки.

джерело: Angewandte Chemie

Подальший аналіз виявив складну мікроскопічну структуру матеріалу за допомогою рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (XPS), інфрачервоної спектроскопії з перетворенням Фур’є з ослабленим повним відображенням (ATR-FTIR) і вимірювань спектроскопії раманівського розсіювання.

Це також підтвердило, що каталізатор дуже міцно прив'язаний до мідної підкладки.

«Розробка життєздатних і масштабованих підходів до осадження має величезне технологічне, економічне та екологічне значення, що забезпечує стабільне закріплення попередніх каталізаторів OER на вибраних перспективних субстратах з високою механічною цілісністю»

джерело: Angewandte Chemie

Самооптимізуючий каталізатор

З цих надзвичайно детальних спостережень вчені виявили, що іони кобальту перемикаються з Co₂₊ до Co3₊. У той же час іони вольфраму також переходять від форм W5+ до W6+.

У результаті з часом електрохімічно активна частина каталізатора переноситься з активного центру вольфраму в активний центр кобальту.

джерело: Angewandte Chemie

Каталізатор також змінюється з точки зору гідрофільності поверхні або його здатності притягувати воду (паливо для виробництва водню): з часом він стає більш гідрофільним.

«Загалом ми зафіксували помітне зниження надпотенціалів і збільшення щільності струму, що супроводжувалося значним збільшенням кінетики OER. Усе це є позитивною новиною для виробництва водню майбутнього».

Доктор Дандан Гао – дослідник Університету Йоганна Гутенберга в Майнці

Це має стати потужним кроком у тому, щоб зробити оксиди перехідних металів життєздатними каталізаторами для виробництва водню.

Це не тільки демонструє, що команда вчених розробила життєздатну мідну підкладку для каталізатора, але й те, що такі каталізатори можуть бути гіперстабільними та навіть покращуватися з часом.

Це також забезпечує теоретичну основу для оцінки потенціалу інших комбінацій перехідних металів, які ще не настільки добре вивчені, як кобальт-вольфрам зараз.

Немає необхідності в каталізі?

Робота з міським мулом

Тим часом виробництво водню також може почати відбуватися з масивних потоків відходів, які виробляють наші міста. Принаймні таку концепцію досліджували сінгапурські, китайські та австралійські дослідники.

Вони зосередилися на осадах стічних вод, токсичному побічному продукті очищення стічних вод. Ці шлами, як відомо, важко переробити та утилізувати через їх складну структуру, склад і забруднювачі, такі як важкі метали та патогени.

Щорічно у світі утворюється понад 100 мільйонів тонн осаду стічних вод. Звичайні методи утилізації, такі як спалювання або захоронення, забирають багато часу, не потребують енергії та призводять до забруднення навколишнього середовища.

Натомість він може стати джерелом корму для тварин і одночасно водню.

Перетворення мулу на ресурси

Дослідники розробили триетапний процес обробки мулу.

Спочатку вони механічно розщеплюють мул до рідини. Потім вони видаляють важкі метали з органічного матеріалу за допомогою хімічної обробки.

Далі вони використовують електрохімічний процес для перетворення органічних матеріалів у цінні продукти: оцтову кислоту та водень за допомогою спеціальних електродів.

Нарешті, вони живлять культуру бактерій, здатних використовувати світло (ціанобактерії), щоб перетворити залишки органічного вмісту в одноклітинні білки, придатні для годування тварин.

І другий, і третій етапи здійснюються або безпосередньо (у випадку бактерій), або опосередковано за допомогою сонячних панелей (у випадку електрохімічної обробки), що живляться сонячним світлом.

Це робить весь процес переробки осаду повністю безвуглецевим і фактично вуглецево-негативним, оскільки дозволяє уникнути викидів вуглецю від звичайної обробки осаду та замінює інші джерела на основі викопного палива для отримання оцтової кислоти, водню та кормів для тварин.

Водень можна використовувати як джерело чистої енергії, а оцтова кислота є ключовим інгредієнтом для харчової та фармацевтичної промисловості.

джерело: Природа Вода

Висока ефективність

Було продемонстровано, що цей метод відновлює 91.4% органічного вуглецю в осаді стічних вод і перетворює 63% органічного вуглецю в одноклітинний білок.

Це набагато більше, ніж традиційне анаеробне зброджування, яке зазвичай відновлює та перетворює близько 50% органічних матеріалів у осад стічних вод.

Загалом це зменшує викиди вуглекислого газу на 99.5% і споживання енергії на 99.3% порівняно з традиційними методами.

«Ми сподіваємося, що запропонований нами метод демонструє життєздатність сталого поводження з відходами та змінить сприйняття осаду стічних вод — від відходів до цінного ресурсу, який підтримує чисту енергію та стале виробництво їжі».

Доктор Чжао Ху, науковий співробітник Наньянського технологічного університету

На додаток до цієї високої ефективності, він також очищає мул від важких металів, які, як правило, забруднюють звалища за звичайних методів боротьби з ним.

Цей новий метод вказує на те, що революція в способах поводження зі стічними водами у світі можлива, видаляючи важкі метали (можливо, для подальшої переробки?) та виробляючи корисну оцтову кислоту, водень і корм для тварин одночасно.

Висновок

Воднева економіка, ймовірно, буде складною сіткою різних джерел водню.

Швидше за все, це будуть передові каталізатори, які здійснюють електроліз води в водень, не вимагаючи дорогих рідкісних металів. Це дозволить знизити вартість водню, щоб зробити його економічно життєздатним конкурентом викопному паливу та іншим екологічним альтернативам.

Іншим можливим джерелом є краща утилізація величезних мільйонів тонн відходів, створених сільським господарством, стічними водами та іншою людською діяльністю. Оскільки вони все одно потребують обробки, набагато краще, якщо ми розпочнемо їх обробку таким чином, щоб забруднювачі (наприклад, важкі метали) видалялися та створювалися нові корисні продукти.

І якщо це буде зроблено за допомогою виключно сонячної енергії, тим краще.

Компанія Tungsten Catalysis

Вольфрам поступово стає не тільки надстійким металом, який використовується у важкій промисловості та оборонному секторі, але також як енергетичний каталізатор, корисний для хімічної промисловості та для виробництва водню.

Це може навіть стати потужний високотемпературний надпровідник, коли він сплетений у правильній молекулярній конфігурації.

Ви можете прочитати технічний та інвестиційний огляд цього ресурсу в «Вольфрам – секретний високотехнологічний метал".

Це також метал, ланцюг постачання якого майже повністю контролюється Китаєм, за одним винятком, Almonty Industries.

Almonty Industries

Almonty – це шахта, що видобуває вольфрам, яка зараз переважно виробляє на шахті в Португалії, яка працює протягом останніх 125 років.

Компанія працює над розширенням португальської шахти та володіє нерозробленими родовищами в Іспанії.

джерело: Алмонті

Найважливішим проектом компанії є поточна розробка нової шахти в Сандонзі, Південна Корея. Шахта містить більше прогнозованих ресурсів, ніж усі інші її родовища разом узяті.

джерело: Алмонті

Як один із єдиних активних і виробничих виробників вольфраму в західних країнах, Almonty є ключовим стратегічним постачальником для оборонної промисловості. Отже, це важлива компанія для зменшення залежності від китайських поставок.

Розташування шахти Сандон робить її ідеальним постачальником для оборонної промисловості, а Південна Корея — новим гігантом масового виробництва «низькотехнологічного» військового спорядження, такого як танки, артилерія та боєприпаси (порівняно з менш вимогливими до вольфраму винищувачами, авіаносцями тощо).

У той час як Китай готується відкрити величезну вольфрамову шахту в Казахстані, Алмонті готовий «суттєво змінити політику, пов’язану з забезпеченням вольфраму», коли шахта Сангдонг проекту Almonty Korea Tungsten запрацює протягом кількох місяців. Коли він почне виробництво, це буде одна з найбільших у світі шахт вольфраму, на яку припадатиме 30% некитайських поставок.

Льюїс Блек, директор, президент і генеральний директор Almonty Industries

Almonty має розпочати виробництво вольфраму з корейської шахти на початку-середині 2025 року.

Через його стратегічне положення як єдиного великого постачальника на Заході Almonty запропонував гарантовану ціну ПланзеєPlansee — високопродуктивний виробник металу та один з найбільших клієнтів Almonty, а також власник 15% компанії.

Мінімальна гарантована ціна становила 235 доларів США/MTU (одиниця метричної тонни) без верхнього порогу. Оскільки Sangdong Mine має на меті грошові витрати в розмірі 110 доларів США/mtu, це фактично повинно забезпечити високу маржу прибутку для проекту.

Завдяки щасливому, майже ідеальному збігу часу між майбутнім відкриттям Сангдонга та новою торговельною війною між Америкою Трампа та Китаєм, ціна акцій сильно відреагувала та зросла на 40% лише за 2 дні після оголошення обмеження експорту вольфраму з Китаю.

Оскільки вольфрам стає все більш і більш важливим для застосування у сфері високих технологій, а також геополітична напруженість, залишайтеся високими, безпечними, некитайські постачання вольфраму, ймовірно, принесуть стабільну премію, з Almonty, одним із найбільших бенефіціарів.

Посилання на дослідження:

^{1. Крістіан Нікель та ін. (2025) Самооптимізуючі електрокаталізатори з оксиду кобальту та вольфраму для посиленого виділення кисню в лужних середовищах. Angewandte Chemie. 05 лютого 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202424074} 

 ^{2. Ху Чжао та ін. (2024) Електроперетворення осаду стічних вод на сонячних батареях у поєднанні з біологічною воронкою для спільного виробництва зеленої їжі та водню. Природа Вода. Том 2, сторінки 1102–1115. https://doi.org/10.1038/s44221-024-00329-z}