Vědci zvýšili výkon katalyzátorů v palivových článcích. Doba vozů na vodík je opět o něco blíže

Koncept lehké dodávky na palivové články, kterou plánuje vyrábět Toyota společně s dalšími japonskými automobilkami Isuzu a Hino
Foto: Toyota Motor Corp.

Překážkou, která brání masovému rozšíření vodíkových palivových článků, je doposud nevyřešený problém, jak vytvořit vysoce aktivní a stabilní katalyzátory, které by dokázaly dostatečně urychlit redukci kyslíku. Výsledky výzkumu, který nedávno uskutečnili vědci z University of California v Los Angeles (UCLA), naznačují, že se tento problém podařilo vyřešit a že doba, kdy se bude moci začít vodík využívat v širokém komerčním rozsahu, se opět o něco přiblížila. Skupina vědců pod vedením profesorky Yu Huangové nyní spolupracuje s japonskou automobilkou Toyota Motor Corp. na vývoji katalyzátorů pro použití v praxi.

Týmu vědců se podařilo vyvinout metodu predikce katalytické účinnosti a stabilizace platinových slitin, což jsou dva klíčové ukazatele toho, jak bude daný materiál ve vodíkových palivových článcích jako katalyzátor fungovat. Poté tito odborníci na základě nové metody navrhli a vyrobili slitinu, která při experimentech podávala vynikající výsledky za podmínek velmi se podobajících reálným aplikacím. Jejich průlomovou studii uveřejnil odborný časopis Nature Catalysis.

Palivové články fungují tak, že přeměňují chemickou energii paliva a okysličovadla přímo na energii elektrickou. V podstatě jde o galvanický článek skládající se ze dvou elektrod oddělených membránou nebo elektrolytem. Jedním z typů palivového článku je kyslíko-vodíkový článek, který používá jako palivo vodík a jako oxidační činidlo kyslík. Odpadem spalování je čistá voda. Klíčovou fází procesu je práce katalyzátoru, který má za úkol přerušovat vazby mezi páry atomů kyslíku. Z katalyzátorů jsou nejúčinnější ty, které jsou vysoce aktivní, aby urychlily reakci, a zároveň jsou i dostatečně stabilní, aby mohly efektivně pracovat po dostatečně dlouhou dobu.

Najít vhodný katalyzátor

Z uvedených důvodů je pro kyslíko-vodíkový článek velmi vhodným katalyzačním materiálem platina, její vzácnost však vylučuje, že by se nějaká technologie využívající platinu ve větším množství mohla prosadit v masovějším měřítku. Použití slitiny platiny s nějakým levnějším kovem by sice náklady o něco snížilo, ale dosud neexistovala žádná prakticky použitelná metoda, která by dokázala vypočítat parametry slitiny pro výrobu katalyzátoru natolik přesně, aby v dané aplikaci působil nejúčinnějším možným způsobem. Technologický vývoj tak až do této doby probíhal metodou pokusů a omylů.

Odbornější terminologií řečeno: jako teoretický deskriptor pro predikci aktivity katalyzátoru se často používá energie vazby kyslíku, dosud však nebyl znám žádný deskriptor pro predikci trvání této aktivity. Uvedenému vědeckému týmu z UCLA se však podařilo vytvořit binární experimentální deskriptor, který zachycuje obojí. Na základě tohoto nového deskriptoru vědci navrhli reakční katalyzátor redukce kyslíku, jímž lze současně dosáhnout vysoké aktivity i stability katalytické reakce.

„Jedná se o rozhodující krok vpřed směrem k racionálnímu navrhování – a to až po mikroskopické měřítko – katalyzátorů s optimálním výkonem,“ uvedl Alessandro Fortunelli z italské Národní rady pro výzkum, který se na výzkumu podílel. „Nikdo dosud nepřišel s metodou, ať už teoretickou, nebo experimentální, jak předpovědět stabilitu katalyzátorů ze slitin platiny,“ dodal.

Nová metoda byla vyvinuta pomocí kombinace experimentů, komplexních výpočtů a rentgenové spektroskopie, což vědcům umožnilo přesně identifikovat klíčové chemické vlastnosti. Vědci poté vytvořili katalyzátory obsahující platinu, nikl a kobalt v přesně stanoveném množství a ve specifické atomové struktuře a konfiguraci.

Obrázek ukazuje palivový článek s protonovou výměnnou membránou (PEMFC) a detaily mikroprostředí, které umožňují ideální průběh chemické reakce
Foto: Huang Group / UCLA Samueli

Podle Yu Huangové, profesorky materiálových věd a inženýrství na UCLA Samueli School of Engineering a členky California NanoSystems Institute při UCLA, by nová metoda mohla být využita i při výrobě katalyzátorů ze slitiny platiny a kovů z podskupiny nacházející se v periodické tabulce dále za niklem a kobaltem. „Máme sice již automobily poháněné palivovými články, ale potřebujeme je zlevnit. V naší nové studii jsme navrhli způsob, který výzkumníkům umožní mnohem rychleji identifikovat vhodné katalyzátory,“ uvedla Yu Huangová.

Podpora vodíku v EU i USA sílí

O krok vpřed se v nedávných dnech posunula i politická podpora vodíku, a to jak v Evropě, tak v Americe. V Evropě v polovině července Evropská komise podle pravidel EU pro státní podporu schválila významný projekt společného evropského zájmu (IPCEI) na podporu výzkumu, inovací a prvního průmyslového využití v hodnotovém řetězci vodíkových technologií. Projekt s názvem IPCEI Hy2Tech společně připravilo patnáct členských států: Belgie, Česko, Dánsko, Estonsko, Finsko, Francie, Itálie, Německo, Nizozemsko, Polsko, Portugalsko, Rakousko, Řecko, Slovensko a Španělsko.

Tyto země se zavázaly, že poskytnou z veřejných prostředků až 5,4 miliardy eur, což by mělo uvolnit další 8,8 miliardy eur v podobě soukromých investic. Pro tento významný projekt společného evropského zájmu bylo vybráno 41 projektů, kterých se zúčastní 35 společností působících v jednom nebo více členských státech, včetně malých a středních a začínajících podniků.

Mezi vybranými společnosti je i společnost Iveco Bus Czech Republic sídlící ve Vysokém Mýtě. Tato automobilka začne v rámci projektu v České republice vyrábět meziměstské vodíkové autobusy.

V závěru července pak došlo k průlomu v otázce podpory výroby nízkouhlíkového vodíku i v USA. V americkém senátu totiž konečně po mnoha měsících prošel zákon Inflation Reduction Act of 2022, jehož součástí je i podpora obnovitelných zdrojů energie, včetně výroby vodíku.  Ta by měla být v USA podpořena daňovými úlevami v závislosti na emisní náročnosti výroby vodíku. Tzv. čistý vodík (clean hydrogen) bude způsobilý k získání daňových úlev v hodnotě až 3 USD/kg.