Vodik bi mogao odigrati ključnu ulogu u nadolazećoj eri obnovljivih izvora energije, ukoliko se razvije relativno jeftina i učinkovita metoda proizvodnje koja ne uključuje karbonska goriva.
Veliki korak prema tom naizgled nedostižnom cilju učinili su znanstvenici s Državnog laboratorija Lawrence Berkeley (Sveučilište Kalifornija, Berkeley) pri Nacionalnom odjelu za energiju (DOE). Tim je otkrio jeftin metalni katalizator koji učinkovito ubrzava reakciju izlučivanja vodika iz vode.
“Naš se novi `proton-redukcijski` katalizator zasniva na okso-molibden-kompleksu koji je otprilike 70 puta jeftiniji od platine, koja je danas najrašireniji metalni katalizator reakcije razdvajanja molekule vode”, navodi Hemamala Karunadasa, jedna od zaslužnih za otkriće ovog kompleksa. “Uz sve prednosti, naš katalizator ne zahtijeva organske dodatke, radi u neutralnom pH (čak i ako je voda prljava), u slanoj vodi (jednom od najbogatijih izvora vodika na planetu) te u neutralnom elektrolitu. Sve ove odlike čine naš katalizator idealnim za kemijske procese dobivanja energije iz obnovljivih i održivih izvora.”
Karunadasa istovremeno izvršava dužnosti na Odsjeku za kemijske znanosti Laboratorija Berkeley i na Kemijskom odsjeku Sveučilišta u Kaliforniji. Vodeća je autorica znanstvenog rada koji opisuje ovo istraživanje, a bio je objavljen 29. travnja 2010. godine pod naslovom “Molekularni okso-molibden katalizator za proizvodnju vodika iz vode” u časopisu Nature. Ostali autori ovog rada bili su Christopher Chang i Jeffrey Long, također zaposleni u Laboratoriju Berkeley te UC Berkeley. Chang je ujedno i član osoblja na Medicinskom institutu Howard Hughes (HHMI).
Bez obzira koristite li ga u novim ili starim gorivim ćelijama za proizvodnju električne energije, plinoviti vodik kao otpadni plin emitira bezopasnu vodenu paru. Upravo je to razlog zbog kojeg bi ova nacija već pohrlila prema ekonomiji baziranoj na vodiku. Jedini je problem nestašica izvora plinovitog vodika. Plinoviti vodik ne nastaje prirodnim procesima i mora se proizvoditi industrijski. Većina plinovitog vodika u SAD-u dolazi iz zemnog plina, iz fosilnog goriva.
Iako nije skupa, ova tehnika pridonosi još većoj emisiji spojeva na bazi ugljika. Plinoviti vodik može se dobiti i elektrolizom vode. U toj reakciji koristimo električnu struju za razbijanje molekule vode na kisik i vodik. Radi se o čistoj i održivoj metodi proizvodnje plinovitog vodika, pogotovo ako se potrebna struja proizvodi iz obnovljivih izvora energije poput solarnih ćelija ili vjetra. Ipak, elektroliza zahtijeva i učinkovit katalizator.
Priroda je proizvela ekstremno efikasne enzime za razbijanje molekule vode. Ti se enzimi zovu hidrogenaze, a koriste ih biljke tijekom fotosinteze. Ipak, ovi su enzimi iznimno osjetljivi i lako se deaktiviraju čim ih se ukloni iz njima prirodnog okruženja. Ljudske aktivnosti zahtijevaju stabilne metalne katalizatore čija aktivnost ne ovisi o tome nalaze li se u biološkoj okolini ili ne. Metalne katalizatore nije teško nabaviti, ali radi se o niskovalentnim plemenitim metalima čija je cijena previsoka za široku primjenu. Uzmimo na primjer platinu, najplemenitiji među plemenitim metalima. Samo 0.03 kg platine košta čak 2000 dolara.
“Osnovni znanstveni problem u ovom istraživanju bila je kreacija molekularnog sustava koji bi proizvodio vodik iz vode uz visoku katalitičku moć i stabilnost”, objašnjava Chang. “Vjerujemo kako će naše otkriće molekularnog katalizatora na bazi okso-molibdena za proizvodnju vodika iz vode bez potrebe za karbonskim dodacima, postaviti novu paradigmu na polju moćne redukcijske katalize u vodenoj sredini.”
Molibden-okso kompleks koji su otkrili Karunadasa, Chang i Long zapravo je visokovalentan metal kemijskog imena (PY5Me2)Mo-oxo. Kroz svoja su istraživanja članovi tima otkrili kako taj kompleks katalizira proizvodnju plinovitog vodika iz neutralne ili čak morske vode i to uz obrtni broj od čak 2.4 mola vodika po molu katalizatora u sekundi. “Ovaj okso-metal kompleks predstavlja osnovnu ideju redukcijske katalize koju odlikuje visoka aktivnost i stabilnost u vodenom mediju. Sada smo fokusirani na modifikaciju PY5Me liganda te istraživanje drugih metalnih kompleksa na bazi sličnih liganada. Na taj se način nadamo poboljšati iskorištenje električne struje, ali i istražiti mogućnost katalitičkih procesa koje pokreće svjetlost. Posebna je pažnja posvećena kemiji važnoj za razvoj održivih ciklusa energije”, navodi Long.
Ovo je istraživanje dijelom financijski podupro Odjel za znanost pri Centru za istraživanje solarne energije (Laboratorij Berkeley), a dijelom Nacionalna fondacija za znanost. Laboratorij Berkeley dio je Nacionalnog laboratorija pri Odjelu za energiju, smješten u Berkeleyju (Kalifornija). Tamo se provode javna znanstvena istraživanja, a sam se laboratorij nalazi se pod upravom Sveučilišta u Kaliforniji.
Info: LBL
