Woda i węgiel pomogą w produkcji tańszego wodoru. Ważne badania na Politechnice Warszawskiej

Jak polskim naukowczyniom udało się połączyć trzy zasoby przyszłości: wodę, wodór i węgiel? Zapraszamy do Laboratorium Grafenowego na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej.

W jaki sposób katalizator, nad którym Panie pracują zmieni metodę wytwarzania wodoru? 

dr inż. Marta Mazurkiewicz-Pawlicka: W naszym laboratorium zajmujemy się szeroko tematyką nanomateriałów węglowych i ich połączeniami z innymi materiałami. Opracowujemy m.in. technologię tańszego, prostszego w masowej produkcji materiału, którym pokrywa się elektrody używane w procesie elektrolizy wody. Katalizatorem w tym procesie – czyli materiałem, który przyspiesza reakcję wytworzenia wodoru – jest disiarczek molibdenu (MoS₂). Jego użycie w produkcji wodoru jest znane. My chcemy je dostosować do produkcji przemysłowej na dużą skalę, dlatego to rozwiązanie musi być opłacalne.

mgr inż. Zuzanna Bojarska: Disiarczek molibdenu zastępuje używaną do tej pory, znacznie droższą platynę[1]. Dodatkowo, łączymy go z nanomateriałami węglowymi, dzięki czemu zwiększa się aktywność uzyskanego materiału. W ten sposób cały proces produkcji jest bardziej opłacalny.

Na czym polega innowacyjność tej technologii? 

M.M-P: Kontynuujemy badania nad zastosowaniem reaktorów zderzeniowych do syntezy disiarczku molibdenu, które zapoczątkował prof. Łukasz Makowski z Zespołu Inżynierii Produktu, który działa na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Procesowej PW. Innowacją w naszym projekcie jest użycie do powstania disiarczku molibdenu reaktorów zderzeniowych oraz dodanie nanomateriałów węglowych w trakcie syntezy. Jako podłoża do osadzania disiarczku molibdenu używamy na przykład zredukowanego tlenku grafenu lub nanorurek węglowych.  

Z.B.: Istnieje wiele metod pozyskania disiarczku molibdenu, które są zazwyczaj bardzo kosztowne, przy użyciu mikrofal, czy wykorzystaniu wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia. W ten sposób można wytworzyć jednak niewiele materiału. Dzięki użyciu reaktora zderzeniowego możemy wyprodukować większe ilości katalizatora w sposób ciągły, powtarzalny i skalowalny.

Co to jest reaktor zderzeniowy i co prowadzi do zachodzących w nim reakcji?

Z.B.: Reaktor ma bardzo prostą budowę, zbliżoną do litery “T”[2]. Z dwóch stron mamy wlot substratów, które zderzają się ze sobą na bardzo małej przestrzeni. Dochodzi do intensywnego mieszania, dzięki czemu cząstki powstają w sposób ciągły i powtarzalny. Zawiesinę następnie oczyszczamy, najczęściej poprzez zastosowanie sił odśrodkowych oraz wygrzewanie. Duże szanse w przemyśle daje możliwość modyfikacji reaktora i zastosowania różnych nanomateriałów węglowych, np. zastąpienie grafenu tańszymi nanorurkami węglowymi. Dzięki temu możemy wytwarzać katalizatory w sposób ciągły, ale przede wszystkim tańszy.

Dlaczego wykorzystuje się w tej technologii także nanocząstki węgla? 

M.M-P: Disiarczek molibdenu charakteryzuje się słabym przewodnictwem. Zwiększamy tę właściwość poprzez wykorzystanie nanomateriałów węglowych.  Dodatkowo są one nośnikiem katalizatora, aby powstawały w reaktorze mniejsze cząstki disiarczku, które są bardziej aktywne katalitycznie.

Nanomateriały węglowe, dzięki swojej strukturze, ułatwiają osadzanie się disiarczku. Dzięki temu tworzy się więcej jego drobnych cząstek na powierzchni węgla. Uzyskujemy materiał, który jest bardziej aktywny, zwiększa się także jego przewodnictwo, może więc być stosowany w elektrokatalizie wody. 

W jakich elektrolizerach można stosować molibden? 

Materiały, które opracowałyśmy, mogą znaleźć zastosowanie w elektrolizerach z membraną polimerową przewodzącą elektrony (PEM). Dodatkowo, dzięki modyfikacji katalizatorów nanocząstkami o właściwościach fotokatalitycznych, rozwiązanie można zastosować w elektrolizerach fotoelektrokatalitycznych.

Czyli opracowały Panie materiał, z którego producent elektrolizera musi stworzyć (ulepić, wyciąć) elementy/ elektrody? 

Aktywność opracowanego materiału potwierdziłyśmy w skali laboratoryjnej za pomocą pomiarów elektrochemicznych. Bardzo chciałybyśmy przetestować nasz materiał w działającym urządzeniu i jesteśmy gotowe pomóc w opracowaniu metody wykorzystania naszego katalizatora do produkcji elektrod w elektrolizerze.

Firmy z jakiej branży mogłyby podjąć współpracę przy opracowaniu technologii wykorzystującej katalizatory? 

M.M-P: Dzięki zastosowaniu reaktora zderzeniowego do produkcji disiarczku molibdenu będzie można zintensyfikować produkcję wodoru. Aby mogło do tego dojść potrzebujemy sił naukowców i inwestorów, a także demonstratora, na którym moglibyśmy testować kolejne rozwiązania. Do tego trzeba zmiany podejścia przedsiębiorców. Jako naukowcy jesteśmy pierwszym ogniwem z wielu. Nie mamy jeszcze rozwiązań gotowych do wdrożenia na skalę przemysłową. Potrzebujemy współpracy, zbudowania demonstratora, przeprowadzenia badań w kooperacji z firmą produkującą elektrolizery. 

Z.B.: Na całym świecie trwają dyskusje o tym, jak szybko i tanio produkować wodór. My także pracujemy nad takimi technologiami, potrzebujemy jednak większych nakładów finansowych, żeby przejść do fazy wdrożenia i współpracy różnych środowisk: naukowców, inwestorów, aby rozwiązania, które opracowałyśmy, móc wprowadzić do przemysłu na dużą i opłacalną skalę.

Dlaczego tak ważne jest wytwarzanie zielonego wodoru? 

M.M-P: Obecnie wodór wytwarzamy głównie z wykorzystaniem paliw kopalnych. Jest to niekorzystne, bo emitujemy gazy cieplarniane, generujemy zanieczyszczenia, mamy ograniczone zasoby surowców. Przyczyniamy się w ten sposób do zmian klimatycznych, dlatego poszukuje się czystszej i bardziej wydajnej metody produkcji wodoru. Odpowiadamy na te potrzeby, kiedy otrzymujemy wodór z wody.

W jaki sposób projekty prowadzone przez Panie łączą w sobie dwa pozostałe zasoby z 3W, czyli wodę i węgiel?

Z.B.: W wielu projektach testujemy grafen czy nanomateriały węglowe. Obecnie pracujemy nad tym, by poszerzyć zastosowania naszych struktur hybrydowych. W jednym z projektów prowadzimy badania nad możliwością uzyskania wodoru przy użyciu promieniowania słonecznego. 

M.M-P: Dodajemy do hybrydy disiarczku molibdenu i nanowęgla cząstki fotokatalizatorów, np. tlenek tytanu. W ten sposób chcemy wykorzystać energię słoneczną do zintensyfikowania elektrolizy wody. Fotoelektroliza jest rozwiązaniem problemu niskiej wydajności fotokatalizy i wysokich kosztów elektrolizy, dlatego chcemy stworzyć materiał o wysokiej aktywności fotoelektrokatalitycznej.

Z.B.: Oprócz samych katalizatorów pracujemy też nad innym zastosowaniem hybrydy disiarczku molibdenu i nanomateriałów węglowych, stosując go jako lubrykant, czyli po prostu dodatek do smarów. Badania na silniku wykazały, że obniża on tarcie w silniku, zmniejsza jego zużycie i ogranicza emisję spalin.

M.M-P: Od kilku lat pracujemy również nad zagadnieniami, które dotyczą ogniw paliwowych, nie tylko zasilanych wodorem, ale także innymi paliwami ciekłymi, np. kwasem mrówkowym. W tych zastosowaniach także królują nanomateriały węglowe. Przeważnie stosuje się je jako nośniki do katalizatorów używanych jako katoda (gdzie zachodzi redukcja utleniacza) i anoda (gdzie zachodzi utlenianie paliwa). Ogniwo, które zasila się kwasem mrówkowym ma szereg zalet, w tym łatwość magazynowania paliwa. Niestety, podczas jego pracy, oprócz wody, wydziela się również dwutlenek węgla, ale w dużo mniejszych ilościach niż w przypadku pracy np. silników spalinowych. Nasze badania skupiają się na wytworzeniu katalizatorów, które charakteryzują się wysoką aktywnością, niską ceną i długą żywotnością. Nie osiągnęłybyśmy zakładanych celów bez nanomateriałów węglowych.

mgr inż. Zuzanna Bojarska i dr inż. Marta Mazurkiewicz-Pawlicka, Zdjęcia:Politechika Warszawska

[1] Kilogram platyny to obecnie koszt ok. 30 000$. Molibden, który występuje jako ruda, można kupić w zależności od postaci od 10-150$ za kilogram)

[2] Zachęcamy do obejrzenia wideo, gdzie opisana została zasada działania reaktora zderzeniowego: https://www.youtube.com/watch?v=mKcy5n5mTUE