Wodór z plastikowych butelek? Australijski naukowiec pracuje nad taką metodą

Australijski badacz dr Yunqing Kang z Uniwersytetu Queensland prowadzi prace nad technologią łączącą wytwarzanie wodoru z zagospodarowaniem plastikowych odpadów. Jego projekt zyskał dofinansowanie z programu DECRA, prowadzonego przez agencję badawczą ARC i skierowanego do naukowców stawiających pierwsze kroki w karierze naukowej - co ma znaczenie, ponieważ Kang jest stosunkowo młodym badaczem. Zaledwie w niecały rok od startu badań opublikowano dwa artykuły naukowe opisujące różne aspekty tej koncepcji - jeden poświęcony jest katalizatorom pracującym w środowisku słonym, drugi natomiast opisuje, jak nanomateriały reagują na trudno wykrywalne zanieczyszczenia.

Plastik zamiast tlenu w procesie elektrolizy

Warto najpierw przypomnieć mechanizm klasycznej elektrolizy: prąd elektryczny rozbija cząsteczki wody na wodór i tlen, przy czym wodór powstaje na katodzie, a tlen - w wyniku reakcji zachodzącej na anodzie. Ta druga reakcja pochłania sporo energii i znacząco podnosi napięcie potrzebne do działania całego układu. Kang dostrzegł w tym miejscu możliwość zastąpienia procesu wydzielania tlenu utlenianiem odpowiednio wyselekcjonowanych związków chemicznych pochodzących z odpadów - tych samych, które trafiają (lub nie) do automatów w systemie kaucyjnym.

Utlenianie w tym ujęciu polega na oddawaniu elektronów przez cząsteczki biorące udział w reakcji. Gdyby taki proces przebiegał łatwiej niż klasyczne wydzielanie tlenu, cały układ zużywałby mniej energii elektrycznej do wytworzenia wodoru - a to byłby już wymierny sukces. Co ciekawe, dodatkowym efektem mogłyby być użyteczne produkty chemiczne powstające z przetworzonych odpadów, których na świecie mamy zdecydowanie zbyt dużo. Trzeba jednak zaznaczyć uczciwie, że na razie nie wiadomo, jakie konkretnie tworzywa trafią do docelowego urządzenia ani ile energii faktycznie uda się odzyskać.

Wyzwaniem jest woda morska

Kang stawia na wodę morską, ponieważ oczyszczanie wody na potrzeby produkcji wodoru generuje dodatkowe koszty i komplikuje cały proces. Wybór ten ma logiczne uzasadnienie - aż 97 procent zasobów wodnych na Ziemi znajduje się właśnie w morzach i oceanach. Problem w tym, że zawarte w niej minerały stanowią spore wyzwanie dla elektrod - jony chlorkowe mogą przyspieszać korozję oraz wywoływać niepożądane reakcje chemiczne, prowadzące do uszkodzenia komponentów. Konieczny jest zatem katalizator, który skutecznie przyspiesza pożądaną przemianę, a jednocześnie zachowuje trwałość w tak agresywnym środowisku. Zespół opracował metodę nakładania cienkich, porowatych powłok wykonanych ze stopów niklu, kobaltu i żelaza z domieszką boru na powierzchnie przewodzące prąd.

Jak wynika z publikacji w Nature Communications, badacze skupili się głównie na katalizowaniu procesu wydzielania tlenu. Powłoka utrzymała stabilność przez ponad 1000 godzin przy gęstości prądu wynoszącej 0,2 ampera na centymetr kwadratowy. Test przeprowadzono w roztworze chlorku sodu i wodorotlenku potasu, który odzwierciedla alkaliczne warunki elektrolizy wody morskiej. To dowód na trwałość materiału, jednak wyłącznie w warunkach laboratoryjnych - wciąż nie wiadomo, jak elektroda sprawdzi się przy kontakcie z rzeczywistą wodą morską oraz związkami pochodzącymi z rozkładu plastiku.

Druga część badania - wykrywanie zanieczyszczeń

W tym samym czasopiśmie opisano drugi wątek prac zespołu, który przygotował porowate nanokulki z rodu i selenu wykazujące właściwości półprzewodnikowe. Do pomiarów wykorzystano między innymi spektroskopię Ramana - technikę pozwalającą identyfikować substancje na podstawie zmian energii światła rozproszonego przez próbkę. Materiał w skali nanometrycznej wzmacnia słaby sygnał pochodzący od drgań cząsteczek, dzięki czemu łatwiej odczytać ich charakterystyczny chemiczny "odcisk palca".

Dzięki tej metodzie udało się wykryć drobiny politetrafluoroetylenu, również w próbkach ścieków. Są to zanieczyszczenia trudne do uchwycenia, ponieważ słabo oddziałują z powierzchnią materiału pomiarowego. Taka technika może więc znaleźć zastosowanie w monitorowaniu zanieczyszczeń wody. Zespół badawczy traktuje ustalenie zależności między powierzchnią materiału a badanymi cząsteczkami jako element przygotowań do przyszłego przetwarzania odpadów.

Koszty produkcji nanomateriałów wciąż wysokie

Na obecnym etapie proces pozostaje kosztowny i trudny do wdrożenia w skali przemysłowej. Zastosowanie niklu, żelaza i kobaltu umożliwia jednak tworzenie powłok katalitycznych bez konieczności użycia metali szlachetnych. O dalszych losach tego rozwiązania zdecydują docelowa trwałość elektrod oraz koszt powtarzalnego uzyskiwania wymaganej struktury materiałowej.

Kang nie zamierza poprzestać na dotychczasowych wynikach - planuje budowę niewielkich urządzeń zasilanych energią słoneczną, które jednocześnie przetwarzałyby odpady plastikowe i wytwarzały wodór. Poza samym paliwem miałyby one dostarczać także związki chemiczne przydatne w innych procesach przemysłowych. Przed zespołem kolejne eksperymenty oraz wyliczenie realnych kosztów produkcji wodoru połączonej z utylizacją plastiku. Możliwe, że w najbliższych latach koszt wytwarzania nanomateriałów spadnie, co otworzyłoby drogę do szerszego zastosowania tej metody.