วัสดุใหม่ที่เป็นโลหะผสมสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว ลดการใช้โลหะมีค่า และมีความเสถียรในการทำงานถึง 300 ชั่วโมง

นักวิจัยจากเมือง Braga ประเทศโปรตุเกสได้พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ที่อาจลดปริมาณโลหะมีค่าที่จำเป็นสำหรับการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว คุณสมบัติของวัสดุดังกล่าวสามารถทำได้ดีกว่ามาตรฐานเชิงพาณิชย์ แม้ว่าจะมีปริมาณโลหะมีค่าเพียงครึ่งหนึ่งของมาตรฐาน ทีมงานจากห้องปฏิบัติการนานาชาติ Iberian Nanotechnology Laboratory (INL) ได้รวมพลาตินัม นิกเกิล และรูทีเนียมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างโลหะผสมที่ออกแบบมาสำหรับการอิเล็กโทรไลซิสด้วยเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMWE) รายงานการวิจัยระบุว่า ที่อุณหภูมิ 60 °C (140°F) หน่วยอุปกรณ์นี้มีเวลาทำงานที่เสถียรเกิน 300 ชั่วโมง การค้นพบนี้ช่วยแก้ไขความท้าทายของเซลล์อิเล็กโทรไลเซอร์ในการลดการพึ่งพาวัสดุที่มีราคาแพงในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพ

ประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีกว่ามาตรฐาน

PEMWE ใช้พลังงานไฟฟ้าในการแยกน้ำเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน โดยอิงจากพลังงานไฟฟ้าทดแทน ซึ่งเป็นวิธีการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาการสร้างไฮโดรเจนที่ขั้วลบส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับโลหะมีค่าที่หายาก ทีมวิจัย Kolen’ko ของ INL ใช้เครื่องปฏิกรณ์การสังเคราะห์แบบไหลต่อเนื่องในการผลิตอนุภาคนาโนของโลหะผสมพลาตินัม-นิกเกิล-รูทีเนียม อนุภาคเหล่านี้มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 1.5 นาโนเมตร และถูกยึดติดอย่างสม่ำเสมอบนกราฟีนที่มีข้อบกพร่องสูง ปริมาณโลหะมีค่าในตัวเร่งปฏิกิริยานี้อยู่ที่ 20.5% ซึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับปริมาณพลาตินัม 40% ในมาตรฐานเชิงพาณิชย์ แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบที่สำคัญ

แม้ว่าจะมีปริมาณโลหะมีค่าต่ำกว่า แต่ประสิทธิภาพของมันยังคงดีกว่ามาตรฐานในหลายการวัด

ในอุปกรณ์ PEMWE แบบเซลล์เดียว ตัวเร่งปฏิกิริยานี้สามารถสร้างความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าได้ที่ 1.0 แอมแปร์ต่อเซนติเมตรที่ 1.6 โวลต์ พฤติกรรมการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นสิ่งสำคัญต่อประสิทธิภาพของมัน ในระยะแรก สปีชีส์ออกไซด์ของนิกเกิลจะเคลือบอยู่บนพื้นผิวของอนุภาค หลังจากการทำให้ขั้วลบเป็นขั้วไฟฟ้า ออกไซด์เหล่านี้จะถูกรีดิวซ์และเปิดเผยพื้นผิวของโลหะผสม ทีมวิจัยที่นำโดย Sitaramanjaneya Mouli Thalluri กล่าวว่า "ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่ได้เสื่อมสภาพ แต่กลับถูกกระตุ้น ซึ่งตรงข้ามกับสัญชาตญาณ และเป็นคุณสมบัติที่จำเป็นสำหรับการทำงานในระยะยาว" การดูดซับรังสีเอกซ์ด้วยการส่องสว่างซิงโครตรอนยืนยันว่าการปรับโครงสร้างผิวเป็นผลมาจากการขับเคลื่อนทางอิเล็กโตรเคมี

ที่อุณหภูมิ 60 °C (140°F) ซึ่งเป็นอุณหภูมิการทำงานที่เป็นมาตรฐานในอุตสาหกรรม หน่วยนี้สามารถรักษาแรงดันไฟฟ้าที่เสถียรได้เกิน 300 ชั่วโมง ในขณะที่มาตรฐานเชิงพาณิชย์มีการเสื่อมสภาพของประสิทธิภาพอย่างต่อเนื่องในระหว่างการทดสอบ

ศักยภาพของกระบวนการผลิตโลหะผสม

ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงของพื้นผิวโลหะผสมสามารถสนับสนุนการทำงานอย่างต่อเนื่อง แก้ไขปัญหาการเพิ่มประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาโดยไม่ลดความเสถียร นักวิจัยยังเน้นย้ำถึงศักยภาพของกระบวนการผลิต การรวมโลหะที่มีศักยภาพการรีดิวซ์ที่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญเป็นความท้าทาย เนื่องจากการสร้างของพวกมันต้องประสานกันเพื่อสร้างโลหะผสมที่คาดหวัง ผู้เขียนร่วม Srinivas Katam กล่าวว่า "การสังเคราะห์แบบไหลต่อเนื่องเป็นการเปลี่ยนเกมในที่นี้" ทีมงานชี้ให้เห็นว่าเครื่องปฏิกรณ์นี้ช่วยให้การเกิดนิวเคลียสของโลหะเกิดขึ้นพร้อมกัน ซึ่งเปิดทางสำหรับการผลิตในปริมาณมาก

Dr. Yury V. Kolen’ko หัวหน้าทีมวิจัย Kolen’ko ของ INL กล่าวว่า "งานนี้พิสูจน์ให้เห็นว่าโลหะผสมที่มีเอนโทรปีกลางสามารถเอาชนะการแลกเปลี่ยนระหว่างกิจกรรมและความเสถียรเมื่อผลิตผ่านการสังเคราะห์แบบไหลต่อเนื่อง" นักวิจัยยังเห็นว่าความสามารถนี้มีการใช้งานที่มีศักยภาพนอกเหนือจากการผลิตไฮโดรเจน รวมถึงเทคโนโลยีการแปลงพลังงานทางอิเล็กโทรเคมีอื่น ๆ การวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจากโครงการฟื้นฟูและความยืดหยุ่นของโปรตุเกส (PRR) ภายใต้กรอบยุโรปสำหรับรุ่นถัดไป ผ่านข้อตกลงนวัตกรรม Moving2Neutrality

ผลลัพธ์จากเซลล์เดียวเป็นพื้นฐานสำหรับการพัฒนาระบบอิเล็กโทรไลเซอร์ขนาดใหญ่ต่อไป โดยการลดความต้องการโลหะมีค่าและรักษาความทนทานยังคงเป็นเป้าหมายที่สำคัญ การวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Chemical Engineering Journal

ผลกระทบของตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ต่อการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว

ด้วยความต้องการพลังงานทดแทนที่เพิ่มขึ้น การผลิตไฮโดรเจนสีเขียวกลายเป็นสาขาการวิจัยที่สำคัญ การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ไม่เพียงแต่ลดการพึ่งพาโลหะมีค่าที่หายาก แต่ยังบรรลุความเสถียรและประสิทธิภาพในระดับใหม่ ซึ่งมีความสำคัญต่อการผลิตไฮโดรเจนสีเขียวในปริมาณมากในอนาคต เนื่องจากสามารถลดต้นทุนการผลิตและเพิ่มประสิทธิภาพ นอกจากนี้ ศักยภาพการใช้งานของเทคโนโลยีนี้ยังอาจขยายไปยังเทคโนโลยีการแปลงพลังงานทางอิเล็กโทรเคมีอื่น ๆ ซึ่งจะช่วยผลักดันการพัฒนาพลังงานที่ยั่งยืนต่อไป