Autor: Odavat vesinikku saab toota päikesevalguse ja nanoosakeste abil otse veest ilma hinda tõstva plaatinakatalüsaatorita!
Rootsi Chalmersi Tehnikaülikooli juhitud uurimisrühm on loonud uue viisi vesiniku tootmiseks ilma haruldase ja kalli metallita plaatinata. Kasutades päikesevalgust, vett ja tillukesi, elektrit juhtivast plastist osakesi, näitavad teadlased, kuidas vesinikku saab toota tõhusalt, kestlikult ja madala hinnaga.
Vesinikul on keskne roll ülemaailmses taastuvenergia arengus. Kuigi selle kasutamisel tekib kõrvalsaadusena vaid vesi, seisavad teadlased endiselt silmitsi suurte väljakutsetega, enne kui vesinikku saab toota nii suures mahus kui ka keskkonnasõbralikult.
Üks peamisi probleeme on plaatina kui kaaskatalüsaatori kasutamise vajadus, kui veest päikesevalguse abil vesinikku toota tahetakse. Maa plaatinavarud on piiratud ning selle kaevandamisega kaasnevad riskid nii keskkonnale kui ka inimtervisele. Lisaks on tootmine koondunud vaid üksikutesse riikidesse, näiteks Lõuna-Aafrikasse ja Venemaale.
Plaatinavabalt toodetud vesiniku hind on märkimisväärselt madalam
Uuringus, mis on avaldatud teadusajakirjas Advanced Materials, näitab Chalmersi professori Ergang Wangi juhitud uurimisrühm, kuidas päikeseenergiat saab kasutada vesiniku tõhusaks tootmiseks … ja seda täiesti ilma plaatinata.
Chalmersi teadlane Alexandre Holmes selgitab, et kasutatakse väga väikeseid, kuid elektrit juhtivaid plastist osakesi. Vees “suhtlevad” need osakesed nii päikesevalguse kui ka ümbritseva keskkonnaga.
„Tõhusate plaatinavabade fotokatalüsaatorite arendamine on olnud selles valdkonnas pikaaegne unistus. Meie elektrit juhtivate plastosakeste täiustatud materjalidisaini abil suudame toota vesinikku tõhusalt ja kestlikult ilma plaatinata – märkimisväärselt madalama hinnaga ning jõudlusega, mis võib isegi ületada plaatinapõhiseid süsteeme,“ ütleb Holmes.
Elektrit juhtiv plast plaatina asemel
Elektrit juhtivaid plaste tuntakse ka konjugeeritud polümeeridena. Konjugeeritud polümeerid on pooljuhtmaterjalid, mis on analoogsed anorgaanilistele pooljuhtidele, nagu räni. Selle pooljuhtiv olemus võimaldab välja töötada uut tüüpi tehnoloogiat – orgaanilist elektroonikat –, mida saab kasutada paljudes erinevates valdkondades, näiteks energia muundamises ja salvestamises, kantavas elektroonikas, elektroonilistes tekstiilides ning biotehnoloogias kehas või keha läheduses. Foto Chalmersi Tehnikaülikool, Henrik Sandsjö.
Püüdlused plaatinasõltuvusest lahti saada on Chalmersi Wangi uurimisrühmas kestnud juba mitu aastat. Uue lähenemise võti peitub elektrit juhtiva plasti täiustatud materjalidisainis. Seda tüüpi plast, mida tuntakse konjugeeritud polümeerina, neelab valgust tõhusalt, kuid ei taha vees tavaliselt hästi töötada. Materjali omadusi molekulaarsel tasandil kohandades muutsid teadlased selle märksa “veesõbralikumaks”.
„Arendasime ka meetodi, millega vormida plast nanoosakesteks, mis parandavad vastasmõju veega ja suurendavad valgusest vesiniku tootmise tõhusust. Parendus tuleneb osakeste sees olevatest lõdvemalt pakitud ja hüdrofiilsematest polümeerahelatest,“ ütleb Holmes.
Chalmersi keemialabori reaktoris on palja silmaga selgelt näha tekkivaid vesinikumulle, mis näitab, et fotokatalüüs toimub tõhusalt. Kui lamp, mis annab päikesesarnast valgust, suunatakse nanoosakesi sisaldava veega täidetud klaasile, hakkavad peaaegu kohe moodustuma väikesed vesinikumullid, mis tõusevad läbi vee. Gaas kogutakse ja juhitakse torude kaudu mahutisse ning toodetud gaasi kogust saab jälgida reaalajas.
Üks gramm uut materjali toodab tunniga 30 liitrit vesinikku
„Juba ühe grammi polümeermaterjaliga suudame toota ühe tunni jooksul 30 liitrit vesinikku,“ ütleb Holmes.
Lisaks näitab Chalmersi teadlaste hiljuti avaldatud läbimurre, et elektrit juhtivat plasti saab toota ka ilma kahjulike kemikaalideta ning märksa kulutõhusamalt.
Ka C-vitamiini kasutamisest tahetakse loobuda
Järgmine oluline samm Wangi uurimisrühma jaoks on panna vesinikutootmise protsess toimima ainult päikesevalguse ja vee abil, ilma lisanduvate abikemikaalideta. Praegu kasutatakse C-vitamiini, mis toimib nn ohverdusliku antioksüdandina. Elektrone loovutades hoiab see ära reaktsiooni seiskumise ning võimaldab laboritingimustes saavutada kõrge vesinikutootmise määra.
Tõeliselt kestliku päikesevesiniku saavutamiseks on professor Wangi sõnul eesmärk lõhustada veemolekulid samaaegselt vesinikuks ja hapnikuks, kasutades ainult päikesevalgust ja vett.
„Plaatina vajaduse kõrvaldamine sellest süsteemist on oluline samm kestliku vesinikutootmise suunas ühiskonna jaoks. Nüüd alustame materjalide ja strateegiate uurimist, mille eesmärk on saavutada vee täielik lõhustamine ilma lisanditeta. See võtab veel mõned aastad, kuid usume, et liigume õiges suunas,“ ütleb uurimisrühma juht Ergang Wang, Chalmersi keemia- ja keemiatehnika osakonna professor.
Viide uuringule
Uuring „Highly Efficient Platinum-Free Photocatalytic Hydrogen Evolution From Low-cost Conjugated Polymer Nanoparticles“ on avaldatud ajakirjas Advanced Materials. Artikli autorid on Alexandre Holmes, Jingwen Pan, Li Wang, Leandro Franco, Rafael R. Bicudo, Bo Albinsson, C. Moyses Araujo, Weiguo Zhu, Dongbo Wang, Thuc-Quyen Nguyen, Jiefang Zhu ja Ergang Wang. Uuringu ajal töötasid teadlased Chalmersi Tehnikaülikoolis, Uppsala Ülikoolis ja Karlstadi Ülikoolis Rootsis, São Paulo Ülikoolis Brasiilias, Harbini Tehnoloogiainstituudis ja Changzhou Ülikoolis Hiinas ning California Ülikoolis USAs. Uuringut rahastasid Rootsi Teadusnõukogu, Formas, Rootsi Energiaagentuur ja Wallenbergi fondid.
Mis on elektrit juhtiv plast?
Elektrit juhtivat plasti tuntakse ka konjugeeritud polümeeri nime all. Konjugeeritud polümeerid on pooljuhtmaterjalid, mis on analoogsed anorgaanilistele pooljuhtidele nagu räni. Selle omadused võimaldavad luua uut tüüpi tehnoloogiat nagu orgaanilist elektroonikat, mida saab kasutada paljudes valdkondades – näiteks energia muundamisel ja salvestamisel, kantavas elektroonikas, elektroonilistes tekstiilides ning biotehnoloogialahendustes, mis töötavad inimese kehas või keha lähedal.
Konjugeeritud polümeeride stabiilsuse suurendamiseks ja elektrijuhtivuse parandamiseks on tehtud pikaajalisi uuringuid. Avastus, et teatud tüüpi plast suudab elektrit juhtida, tehti 1970. aastatel ning selle eest anti 2000. aastal Nobeli keemiapreemia. Laureaadid olid Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid ja Hideki Shirakawa.
Mis roll on vesinikul energiamajanduses?
Vesinik on energiakandja, mida kasutatakse energia transportimiseks, salvestamiseks ja edastamiseks, sarnaselt elektriga. Vesinikku saab toota erinevatest energiaallikatest: fossiilsetest, fossiilivabadest ja taastuvatest. Vesinikul on suur potentsiaal taastuvenergiasüsteemides, kus seda saab toota näiteks päikese- või tuuleenergia abil. Praegu kasutatakse vesinikku kogu maailmas päikese- ja tuuleenergia salvestamiseks, hoonete energiasõltumatuse saavutamiseks ning sõidukikütusena ilma kahjulike heitmeteta.
Loe lähemalt Hydrogen Sweden’i veebilehelt.
Loe lisaks
Kuidas aluselisest jäätmeveest vesinikku teha
Täiustatud seade toodab mereveest vesinikku ja hapnikku
Eriti säästlik vesinikutootmine päikesest ja sõnnikust
Uus ammoniaagitootmise viis langetab elektri hinda
Leiutati veest “igavesi kemikaale” eemaldav materjal
Alexandre Holmes is a postdoctoral researcher at Chalmers University of Technology, Sweden, and one of the lead authors of a study published in Advanced Materials. Foto Chalmers University of Technology, Mia Halleröd Palmgren