Vědci vyvinuli katalyzátor s 75 procenty méně platiny se stejnou účinností

Vědci z IMDEA Materials Institute vyvinuli nový katalyzátor, který obsahuje o 75 procent méně platiny než dosud používané materiály, přičemž si zachovává energetickou účinnost srovnatelnou s čistou platinou. Výsledky výzkumu byly publikovány v odborném časopise Electrochimica Acta.

Platina je klíčovým prvkem v celé řadě elektrochemických technologií, včetně palivových článků a elektrolyzérů používaných při výrobě vodíku. Jde však o vzácný a drahý kov, jehož omezené zásoby a vysoká cena dlouhodobě brzdí širší komerční nasazení těchto zařízení. Snížení množství platiny při zachování výkonu proto patří mezi klíčové výzvy pro rozvoj čistých energetických technologií.

Tým z IMDEA Materials Institute se s tímto problémem vypořádal pomocí odlišného přístupu, než jaký se v oboru obvykle používá. Namísto hledání nových chemických slitin nebo alternativních materiálů výzkumníci využili řízené mechanické stlačení struktury katalyzátoru. Tímto způsobem se jim podařilo upravit atomární uspořádání platiny tak, aby jednotlivé atomy pracovaly efektivněji.

Princip spočívá v tom, že mechanické namáhání mění vzdálenosti mezi atomy platiny na povrchu katalyzátoru. Tato drobná strukturální úprava ovlivňuje elektronové vlastnosti materiálu a zlepšuje jeho schopnost urychlovat požadované chemické reakce. Díky tomu stačí k dosažení stejného výkonu podstatně menší množství drahého kovu.

Katalyzátory na bázi platiny se běžně používají zejména v takzvaných protonově výměnných membránových palivových článcích (PEM), které přeměňují vodík a kyslík na elektrickou energii s vodou jako jediným vedlejším produktem. Stejný typ technologie se využívá i opačným směrem, tedy při elektrolýze vody za účelem výroby vodíku. V obou případech platina slouží jako katalyzátor, který umožňuje, aby reakce probíhaly dostatečně rychle a při rozumné spotřebě energie.

Vysoký obsah platiny v těchto zařízeních je jedním z hlavních důvodů, proč jsou vodíkové technologie stále dražší ve srovnání s konvenčními zdroji energie. Snížení potřebného množství platiny až o tři čtvrtiny by tak mohlo výrazně přispět ke zlevnění výroby palivových článků a elektrolyzérů, aniž by muselo dojít ke kompromisu v jejich výkonu.

Výzkumníci z IMDEA Materials Institute zdůrazňují, že jejich metoda nevyžaduje vývoj zcela nových materiálů ani složité chemické procesy. Místo toho staví na precizní kontrole mechanických vlastností existující struktury katalyzátoru, což by mohlo usnadnit i její případné uplatnění v praxi.

Podle autorů studie otevírá tento přístup cestu k dalšímu zdokonalování katalyzátorů založených na vzácných kovech. Mechanické stlačení totiž představuje relativně jednoduchý a dobře kontrolovatelný parametr, který lze v budoucnu dále upravovat a optimalizovat pro konkrétní aplikace.

Snížení spotřeby platiny má význam i z hlediska udržitelnosti. Těžba a zpracování tohoto vzácného kovu jsou energeticky náročné a mají dopad na životní prostředí. Menší poptávka po platině v katalyzátorech by tak mohla přispět nejen ke snížení nákladů, ale také k omezení ekologické zátěže spojené s jejím získáváním.

Vodíkové technologie jsou v posledních letech vnímány jako jedna z možných cest k dekarbonizaci energetiky a průmyslu, zejména v odvětvích, kde je elektrifikace obtížně proveditelná. Cena palivových článků a elektrolyzérů přitom zůstává jednou z klíčových překážek jejich širšího rozšíření. Inovace, které dokážou snížit obsah drahých kovů bez ztráty výkonu, tak mají potenciál posunout tato zařízení blíže k běžnému komerčnímu využití.

Studie z IMDEA Materials Institute zatím představuje výsledek základního výzkumu, publikovaný v odborném časopise Electrochimica Acta. Případné praktické nasazení nového typu katalyzátoru bude záviset na dalším testování a ověřování jeho stability a výkonu v reálných provozních podmínkách. Přesto výzkum naznačuje, že mechanické vlastnosti materiálů mohou hrát v katalýze mnohem významnější roli, než se dosud předpokládalo, a že jejich cílená úprava může být účinnou cestou ke snižování nákladů na klíčové technologie pro čistou energii.