ప్లాటినం లేకుండా ఉన్న హైడ్రోజన్ కాటలిస్ట్ 1,000 గంటల పారిశ్రామిక ప్రమాణాలను అందుకుంది

తక్కువ ఖర్చుతో హైడ్రోజన్ ఉత్పత్తికి ఒక మార్గం రూపుదిద్దుకుంటోంది

నేరుగా విద్యుదీకరించడం కష్టమైన పరిశ్రమలు మరియు అనువర్తనాల కోసం హైడ్రోజన్ చాలా కాలంగా ఆశాజనకమైన శక్తి వాహకంగా భావించబడుతోంది. కానీ ఈ సాంకేతికత యొక్క ప్రధాన ఆర్థిక అడ్డంకుల్లో ఒకటి సురక్షితంగా, పెద్ద స్థాయిలో హైడ్రోజన్ ఉత్పత్తి చేయడంలో వచ్చే ఖర్చు. పునరుత్పాదక విద్యుత్తుతో నడిచే నీటి ఎలక్ట్రోలిసిస్ దీన్ని చేయగలదు, కానీ ఆ వ్యవస్థలు తరచుగా అధిక పనితీరు మరియు దీర్ఘకాలిక స్థిరత్వం కోసం ఖరీదైన ప్లాటినం-గ్రూప్ లోహాలపై ఆధారపడతాయి.

సెయింట్ లూయిస్‌లోని Washington Universityలో Gang Wu నేతృత్వంలోని ఒక పరిశోధనా బృందం ఒక సంభావ్య ప్రత్యామ్నాయాన్ని చూపినట్లు చెబుతోంది: anion-exchange membrane water electrolyzerలో ఉపయోగించడానికి రెండు phosphidesతో నిర్మించిన ప్లాటినం-రహిత కాటలిస్ట్. అందించిన మూల పాఠ్యం ప్రకారం, ఆ కాటలిస్ట్ పరిశ్రమ-ప్రామాణిక పరిస్థితుల్లో 1,000 గంటలు పనిచేసింది, మరియు nickel iron anodeతో కలిపినప్పుడు state-of-the-art comparison cathode మరియు platinum-group-metal benchmark రెండింటినీ మించి పనిచేసింది.

Journal of the American Chemical Societyలో ప్రచురితమైన ఈ అధ్యయనం, శుభ్రమైన హైడ్రోజన్ రంగంలోని కీలక లక్ష్యాన్ని సూచిస్తోంది: పనితీరును వదిలిపెట్టకుండా అరుదైన మరియు ఖరీదైన కాటలిస్ట్ పదార్థాలపై ఆధారాన్ని తగ్గించడం. ఈ సమతుల్యత మెరుగైతే, పునరుత్పాదక హైడ్రోజన్ ఉత్పత్తి ఆర్థికత శక్తి నిల్వ, పారిశ్రామిక feedstock, మరియు భవిష్యత్ రవాణా వినియోగాలకు మరింత ఆకర్షణీయంగా మారవచ్చు.

ప్లాటినం-గ్రూప్ లోహాలు ఎందుకు ఇంత పెద్ద అడ్డంకి

ఎలక్ట్రోలైజర్లు విద్యుత్తును ఉపయోగించి నీటిని హైడ్రోజన్ మరియు ఆక్సిజన్‌గా విడగొడతాయి. సిద్ధాంతంగా ఈ ప్రక్రియ సరళమే. కానీ వాస్తవంలో, అధిక సామర్థ్యం మరియు దీర్ఘ ఆపరేటింగ్ జీవితాన్ని పొందడానికి ప్రతిక్రియను వేగవంతం చేసి, కఠినమైన ఎలక్ట్రోకెమికల్ పరిస్థితులను తట్టుకునే కాటలిస్ట్ పదార్థాలు అవసరం.

అక్కడే చారిత్రాత్మకంగా ప్లాటినం-గ్రూప్ లోహాలకు పైచేయి ఉంది. అవి ఎంతో ప్రభావవంతమైనవి, కానీ ఖరీదైనవీ కూడా. వాటి ధర ఎలక్ట్రోలైజర్ వ్యవస్థల మూలధన వ్యయాన్ని పెంచి, సాంకేతికత ఎంతవరకు ఆర్థికంగా విస్తరించగలదో పరిమితం చేస్తుంది. శుభ్రమైన హైడ్రోజన్ మద్దతుదారుల కోసం, ఈ పదార్థాలను మార్చడం లేదా తగ్గించడం, అమలు అడ్డంకులను తగ్గించడానికి నేరుగా చేసే చర్యలలో ఒకటి.

Washington University బృందం anion-exchange membrane water electrolyzers, లేదా AEMWEs, పై దృష్టి పెట్టింది. కొంతమేర ఇతర ఎలక్ట్రోలైజర్ రూపకల్పనల కంటే తక్కువ ఖర్చు పదార్థాలతో అధిక పనితీరు అందించే దారిని ఇది అందించడంతో ఈ నిర్మాణం ఆకర్షణీయంగా ఉంది. కానీ విజయం ఇప్పటికీ క్రియాశీలమైన, దీర్ఘకాలికమైన కాటలిస్ట్‌లను కనుగొనడంపైనే ఆధారపడి ఉంటుంది.

పరిశోధకులు ఏమి నిర్మించారు

మూల పాఠ్యంలో వివరించినట్టు, బృందం రెండు phosphidesతో తయారైన heterostructure కాటలిస్ట్‌ను రూపొందించింది. రెండు పదార్థాలను compositeగా కలిపి, హైడ్రోజన్ వెలికితీత ప్రక్రియలో కాటలిటిక్ చర్యను పెంచామని పరిశోధకులు చెబుతున్నారు. Wu ఈ ప్రయత్నం వెనుక ఉన్న ప్రేరణను ప్రాయోగికంగా వివరించారు: సూర్యుడు, గాలి, లేదా నీటి నుంచి వచ్చే పునరుత్పాదక విద్యుత్తును నీటినుంచి హైడ్రోజన్‌ను వేరుచేయడానికి ఉపయోగించి, ఆ శక్తిని తర్వాత అనేక అనువర్తనాల్లో ఉపయోగించగల ఇంధనంగా నిల్వ చేయవచ్చు.

ఆ నిల్వ కోణమే ప్రధానము. హైడ్రోజన్ కేవలం ఇంధనం కాదు; పునరుత్పాదక శక్తిని కాలానుగుణంగా, వినియోగ సందర్భాల మధ్య మార్చే ఒక మార్గం. అదనపు పునరుత్పాదక ఉత్పత్తిని హైడ్రోజన్‌గా మారుస్తారు; అది రసాయన తయారీ, పారిశ్రామిక వేడి, లేదా సరైన సందర్భాల్లో విద్యుత్ ఉత్పత్తి మరియు రవాణాకు కూడా ఉపయోగపడుతుంది.

మూల పాఠ్యం ప్రకారం, phosphide కాటలిస్ట్‌ను nickel iron anodeతో ఏకీకృతం చేసినప్పుడు, ఏర్పడిన cathode వివిధ పదార్థాలతో చేసిన state-of-the-art cathode మరియు platinum-group-metal benchmark రెండింటికన్నా మెరుగ్గా పనిచేసింది. అంతే ముఖ్యంగా, ఇది పరిశ్రమ-ప్రామాణిక పరిస్థితుల్లో 1,000 గంటల ఆపరేషన్‌ను కొనసాగించింది.

1,000 గంటల ఫలితం ఎందుకు ముఖ్యమైంది

ఎలక్ట్రోలిసిస్ పరిశోధనలో పనితీరు హెడ్లైన్లు సాధారణమే, కానీ వాణిజ్యపరంగా ఒక ఫలితం అర్థవంతమా కాదా అనేది చాలాసార్లు దీర్ఘకాలికతే నిర్ణయిస్తుంది. తాత్కాలికంగా అద్భుత ఫలితాలు ఇచ్చి త్వరగా దిగజారే కాటలిస్ట్ ఖర్చు సమస్యను పరిష్కరించదు. ప్రాయోగిక అమలుకు దీర్ఘకాలిక ఆపరేషన్ అవసరం.

అందువల్ల మూల పాఠ్యంలో పేర్కొన్న 1,000 గంటల సంఖ్య ముఖ్యమైనది; ఎందుకంటే ఇది ప్రయోగశాల ఆప్టిమైజేషన్‌ను మాత్రమే కాదు, పారిశ్రామిక ప్రాముఖ్యతను ప్రతిబింబించే పరిస్థితుల్లో దైర్యాన్ని సూచిస్తుంది. ఇది తానే భారీ అమలుకు సిద్ధమని నిరూపించదు, కానీ ప్లాటినం-రహిత వ్యవస్థలు ఉన్నత పదార్థాలకు దగ్గరవుతున్నాయని బలమైన సంకేతం ఇస్తుంది.

ఈ ఫలితం వ్యూహాత్మకంగా కూడా ముఖ్యం. విలువైన లోహాలపై ఆధారపడని కాటలిస్ట్‌లు బలమైన చర్యను, ఆపరేటింగ్ స్థిరత్వాన్ని అందిస్తే, తయారీదారులు పదార్థాల సరఫరా మరియు platinum-group metals‌తో కూడిన కమోడిటీ షాక్‌లకు తట్టుకునే వ్యవస్థలను మరింత స్వేచ్ఛగా రూపొందించగలరు.

ఇది శుభ్రమైన శక్తి వ్యవస్థలకు ఏమి సూచిస్తుంది

అతి పెద్ద ప్రభావం ఖర్చులోనే ఉంటుంది. ఎలక్ట్రోలిసిస్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేసిన హైడ్రోజన్, ముఖ్యంగా విద్యుత్తు ధరలు మరియు మూలధన వ్యయాలు ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, ఫాసిల్-ఆధారిత హైడ్రోజన్‌తో పోటీ పడటంలో చాలాసార్లు ఇబ్బంది పడుతుంది. తక్కువ ఖర్చు కాటలిస్ట్‌లు మొత్తం సమీకరణాన్ని పరిష్కరించకపోయినా, ఎలక్ట్రోలైజర్ అమలుకు ముందు ఖర్చును తగ్గించడంలో సహాయపడతాయి.

ఈ పని విస్తృత శక్తి-నిల్వ పజిల్‌లో కూడా సరిపోతుంది. పునరుత్పాదక శక్తి వృద్ధి, దీర్ఘకాలం పాటు విద్యుత్తును నిల్వ చేయగల మరియు నేరుగా విద్యుదీకరణ కష్టం ఉన్న రంగాలకు మద్దతు ఇవ్వగల సాంకేతికతల అవసరాన్ని పెంచింది. హైడ్రోజన్ ఒక ఎంపిక; ఎందుకంటే అది నిల్వ శక్తిగా, పారిశ్రామిక ఇన్‌పుట్‌గా, రెండింటిగానూ పని చేయగలదు.

అంటే ప్రతి హైడ్రోజన్ వినియోగం రాత్రికి రాత్రే ఆర్థికంగా లేదా సానుకూలంగా మారుతుందని కాదు. మౌలిక సదుపాయాలు, రవాణా, మార్పిడి నష్టాలు, మరియు మార్కెట్ రూపకల్పన ఇంకా కీలకం. కానీ సాంకేతికతలో కొనసాగుతున్న ఖర్చు కేంద్రాల్లో ఒకదానిపై దెబ్బకొట్టే పదార్థ పురోగతులు గమనించదగ్గవి, ఎందుకంటే అవి మొత్తం వర్గానికి మెరుగైన ప్రాథమిక ఆర్థికతను అందిస్తాయి.

తదుపరి పరీక్ష దాన్ని వాస్తవానికి మార్చడమే

చాలా పదార్థ ఆవిష్కరణల మాదిరిగానే, మిగిలిన ప్రశ్న ఏమిటంటే ఈ ఫలితం ప్రచురిత అధ్యయనం నుంచి వాణిజ్య హార్డ్‌వేర్‌కి సాఫీగా మారుతుందా అన్నది. తయారీ స్థిరత్వం, 1,000 గంటలకు మించిన ఆయుష్షు, సిస్టమ్ ఏకీకరణ, మరియు వాస్తవ ప్రపంచ ఖర్చు తగ్గింపులు అన్నీ నిరూపించాల్సిందే.

అయినా, ఈ అధ్యయనం శుభ్రమైన హైడ్రోజన్ రంగం platinum-group metal ఆధారాన్ని శాశ్వత పరిమితిగా అంగీకరించాల్సిన అవసరం లేదన్న వాదనకు బలం ఇస్తుంది. మూల పాఠ్యం మద్దతిచ్చే ప్రధాన దావా ఇప్పటికే అర్థవంతమైనది: anion-exchange membrane water electrolyzerలో ఒక phosphide-ఆధారిత, ప్లాటినం-రహిత కాటలిస్ట్ సమర్థవంతమైన హైడ్రోజన్ ఉత్పత్తి సాధించి, పరిశ్రమ-ప్రామాణిక పరిస్థితుల్లో 1,000 గంటలు పనిచేసింది.

ఈ పనితీరు పునరావృతమై, మరింత పెంచగలిగితే, ఆ పురోగతి ప్రయోగశాలకే పరిమితం కాదు. పునరుత్పాదక హైడ్రోజన్‌కి ఉన్న అత్యంత కఠినమైన ఇంజనీరింగ్ మరియు ఖర్చు సవాళ్లలో ఒకటి మరింత నియంత్రణలోకి వస్తోందని, పెద్ద స్థాయి, తక్కువ ఖర్చు ఎలక్ట్రోలిసిస్‌ను ప్రాయోగిక వాస్తవానికి దగ్గర చేస్తోందని ఇది సూచిస్తుంది.

ఈ వ్యాసం Phys.org నివేదిక ఆధారంగా రూపొందించబడింది. మూల వ్యాసాన్ని చదవండి.