นักวิทยาศาสตร์เกาหลีใต้พัฒนาชิ้นส่วนอิเล็กโทรดนิกโคบอลต์ต้นทุนต่ำสุด เพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว

นักวิทยาศาสตร์เกาหลีใต้ได้พัฒนาชิ้นส่วนใหม่ที่มีต้นทุนต่ำสุด เพื่อผลิตไฮโดรเจนสีเขียวจากน้ำและไฟฟ้า สถาบันวิจัยพลังงานเกาหลี (KIER) ได้พัฒนาอิเล็กโทรดนิกโคบอลต์ที่ไม่มีแพลตินัม ซึ่งสามารถทำการอิเล็กโทรไลซิสในน้ำด่างได้อย่างมีประสิทธิภาพ โครงสร้างอิเล็กโทรด Ni/Co ที่ไม่ใช่โลหะมีค่าได้เพิ่มประสิทธิภาพของการอิเล็กโทรไลซิสในน้ำด่าง และลดต้นทุนลง ความก้าวหน้านี้มีศักยภาพในการขจัดอุปสรรคทางเศรษฐกิจหลักในการขยายพลังงานสีเขียวทั่วโลก ดร.กังคยองซู หัวหน้าทีมวิจัยของ KIER กล่าวว่า "การศึกษานี้พิสูจน์ว่าอิเล็กโทรดที่ไม่ใช่โลหะสามารถแสดงประสิทธิภาพและความทนทานระดับโลกในการอิเล็กโทรไลซิสในน้ำด่างได้"

การลดต้นทุนของไฮโดรเจนขึ้นอยู่กับความเรียบง่ายของการอิเล็กโทรไลซิสในน้ำ โดยการใช้กระแสไฟฟ้าในน้ำจะทำให้โมเลกุลของน้ำแตกตัวและจับไฮโดรเจนบริสุทธิ์ได้ ซึ่งทำให้เกิดการปล่อยคาร์บอนเป็นศูนย์ อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริง โดยเฉพาะในระบบน้ำด่างขนาดใหญ่ อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะช้ากว่า ในสภาวะน้ำด่าง เวลาที่ใช้ในการแตกตัวของโมเลกุลน้ำจะมากกว่าร้อยเท่าเมื่อเปรียบเทียบกับสภาวะกรด เพื่อเร่งปฏิกิริยา อิเล็กโทรไลเซอร์ในอุตสาหกรรมมักใช้โลหะมีค่า ราคาของแพลตินัมอยู่ที่ประมาณ US$58 (ประมาณ HK$452) ต่อกรัม ในขณะที่ราคาของรูเทเนียมอยู่ที่ประมาณ US$54 (ประมาณ HK$421) ต่อกรัม เมื่อพิจารณาถึงขนาดของโรงงาน ทำให้การผลิตในปริมาณมากเป็นไปไม่ได้ในทางเศรษฐกิจ ทีมงาน KIER ตัดสินใจที่จะละทิ้งแพลตินัมโดยสิ้นเชิง และเปลี่ยนมาใช้โลหะนิกเกิลและโคบอลต์ ซึ่งมีราคาอยู่ที่ประมาณ US$0.02 (ประมาณ HK$0) และ US$0.05 (ประมาณ HK$0) ต่อกรัมตามลำดับ

ข้อได้เปรียบทางเทคนิคของอิเล็กโทรดใหม่

โลหะราคาถูกสามารถแซงหน้าแพลตินัมได้อย่างไร? นี่คือผลจากโครงสร้างที่ชาญฉลาด ทีมงานได้สร้างโครงสร้างผสมสองชิ้นส่วน โดยจับคู่สารออกไซด์นิกเกิลและอัลลอยนิกโคบอลต์ไว้ที่พื้นผิวของอิเล็กโทรดเดียวกัน โดยแต่ละชิ้นส่วนจะจัดการกับขั้นตอนต่าง ๆ ของปฏิกิริยา สารออกไซด์นิกเกิลทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี โดยทำให้โมเลกุลน้ำแตกตัวอย่างรวดเร็วในขั้นตอนการแตกตัวที่ช้าในเบื้องต้น ขณะที่อัลลอยนิกโคบอลต์จะใช้ในการรวมไฮโดรเจนไอออนที่ปล่อยออกมาเป็นก๊าซเชื้อเพลิงที่ใช้ได้

ผลการทดสอบแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของเทคโนโลยีนี้ อิเล็กโทรดนี้สามารถผลิตไฮโดรเจนได้ที่อัตราการใช้ไฟฟ้าเพียง 22.7 mV ซึ่งต่ำกว่าระดับที่ต้องการในระบบแพลตินัมเชิงพาณิชย์ที่ 56.5 mV ถึง 40% นักวิจัยกล่าวว่า "อิเล็กโทรดที่พัฒนาขึ้นสามารถให้ผลผลิตไฮโดรเจนที่เทียบเท่ากับอัตราการใช้ไฟฟ้าประมาณ 40% แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในอิเล็กโทรดน้ำด่างที่ไม่ใช่โลหะที่รายงานในช่วงสามปีที่ผ่านมา" นวัตกรรมในห้องปฏิบัติการหลายรายการล้มเหลวในการทดสอบในเครือข่ายไฟฟ้าจริง เนื่องจากพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมที่ผันผวนทำให้ระบบต้องเผชิญกับรอบการทำงานที่เข้มงวด ทีมงาน KIER ได้ออกแบบอิเล็กโทรดใหม่เพื่อทนต่อสภาวะที่ไม่สามารถคาดการณ์ได้เหล่านี้

ในการทดสอบเซลล์ขนาด 8.7 เซนติเมตร อิเล็กโทรดนี้สามารถลดแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ได้ถึง 11% เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ที่ใช้โลหะนิกเกิลมาตรฐาน แม้ในระหว่างการทดสอบที่มีการเปิดปิดอย่างต่อเนื่องถึง 600 รอบ อิเล็กโทรดนี้ยังคงไม่สูญเสียประสิทธิภาพ

ศักยภาพการค้าในอนาคต

ในอนาคต อิเล็กโทรดนี้มีศักยภาพที่จะทำงานร่วมกับโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมที่ไม่เสถียร ทีมงานได้ก้าวข้ามขั้นตอนในห้องปฏิบัติการไปแล้ว ดร.ลีฮยอนจุน หนึ่งในผู้รับผิดชอบกล่าวว่า ทีมงานได้ผลิตอิเล็กโทรดขนาดใหญ่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 40 เซนติเมตร และกำลังปรับปรุงกระบวนการผลิตเชิงพาณิชย์ เป้าหมายสุดท้ายคือการขยายพื้นที่ผิวของอิเล็กโทรดให้ถึง 5,000 ตารางเซนติเมตร เพื่อให้สามารถรวมเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมขนาดเมกะวัตต์ได้โดยตรง หากประสบความสำเร็จในการขยายขนาด อาจจะสามารถแก้ไขปัญหาภาษีโลหะมีค่าในไฮโดรเจนได้ ผลการวิจัยนี้ได้ถูกตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Science

อิเล็กโทรดที่ไม่มีแพลตินัมต่อการผลิตไฮโดรเจน

การพัฒนาอิเล็กโทรดนิกโคบอลต์ที่ไม่มีแพลตินัมนี้ ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจน โดยทั่วไปแล้ว การผลิตไฮโดรเจนต้องพึ่งพาตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีค่าใช้จ่ายสูง ซึ่งจำกัดความเป็นไปได้ทางเศรษฐกิจ ด้วยการใช้โลหะที่มีราคาถูกกว่า เทคโนโลยีนี้ไม่เพียงแต่ลดต้นทุนการผลิต แต่ยังเพิ่มผลผลิตและประสิทธิภาพของไฮโดรเจนอีกด้วย ด้วยการแพร่หลายของพลังงานทดแทน อิเล็กโทรดใหม่ชนิดนี้มีศักยภาพในการใช้งานอย่างมาก สามารถส่งเสริมการใช้ไฮโดรเจนสีเขียวอย่างกว้างขวาง และผลักดันการเปลี่ยนแปลงพลังงานทั่วโลกต่อไป