Nowy katalizator

Nie ma użytkownika sprzętu elektronicznego, którego nie irytowałyby problemy z zasilaniem. Baterie wiecznie się wyczerpują, wymagają ciągłych wymian lub długotrwałego ładowania. Ogniwa paliwowe mogłyby znacząco poprawić wygodę korzystania z urządzeń elektronicznych. Na przeszkodzie do ich komercjalizacji stoi jednak wiele problemów technicznych. Nowy katalizator, opracowany w Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie, jest istotnym etapem na drodze do upowszechnienia tanich, trwałych, lekkich i ekologicznych ogniw paliwowych zużywających kwas mrówkowy.

Ogniwo paliwowe to urządzenie przetwarzające energię chemiczną w elektryczną. Prąd powstaje bezpośrednio wskutek spalania paliwa w obecności katalizatorów, stosowanych na anodzie i katodzie ogniwa. – Teoretyczna sprawność zamiany energii chemicznej na elektryczną w ogniwach może sięgać nawet stu procent. Najlepsze istniejące obecnie ogniwa, wodorowe, w praktyce dochodzą do 60%. Dla porównania, sprawność niskoprężnych silników spalinowych to zaledwie około 20% – mówi dr hab. inż. Andrzej Borodziński z IChF PAN.

Najpoważniejszą przeszkodą w upowszechnieniu ogniw wodorowych jest magazynowanie wodoru. Zagadnienie to okazało się niezwykle wymagające technicznie i wciąż nie doczekało się zadowalających rozwiązań. Konkurencyjne wobec wodorowych są ogniwa na metanolu. Sam metanol jest jednak substancją trującą, a zużywające go ogniwa trzeba budować z użyciem drogich katalizatorów platynowych. Co więcej, ogniwa metanolowe mają niewielką moc i pracują w stosunkowo wysokiej, a więc potencjalnie niebezpiecznej temperaturze (ok. 90 stopni).

Alternatywnym rozwiązaniem okazują się ogniwa paliwowe działające na kwasie mrówkowym. Reakcje zachodzą tu w temperaturze pokojowej, a sprawność i moc ogniwa są wyraźnie wyższe niż w ogniwach metanolowych. Dodatkowo kwas mrówkowy jest substancją łatwą do przechowywania i transportu. Jednak aby ogniwo na kwasie mrówkowym działało stabilnie, potrzebny jest wydajny i trwały katalizator.

– Opracowany przez nas katalizator początkowo ma niższą aktywność od dotychczas stosowanych katalizatorów z czystego palladu. Różnica znika jednak już po dwóch godzinach pracy. Dalej jest tylko lepiej. Podczas gdy aktywność katalizatora na czystym palladzie nadal spada, nasz pracuje stabilnie – mówi dr Borodziński.

Zaletą opracowanego w IChF PAN katalizatora, szczególnie istotną z ekonomicznego punktu widzenia, jest fakt, że zachowuje swe właściwości podczas pracy w kwasie mrówkowym niskiej czystości. Kwas mrówkowy tego typu można łatwo produkować w dużych ilościach, w tym także z biomasy, zatem paliwo do nowych ogniw mogłoby być bardzo tanie.

Kwas mrówkowy otrzymywany z biomasy byłby paliwem w pełni ekologicznym. Produktami reakcji zachodzących z jego udziałem w ogniwach paliwowych są woda i dwutlenek węgla. Ten drugi jest co prawda gazem cieplarnianym, ale biomasa jest pozyskiwana z roślin, które pochłaniają go podczas wzrostu. W rezultacie produkcja kwasu mrówkowego z biomasy i zużywanie go w ogniwach nie zmieniałyby ilości dwutlenku węgla w atmosferze. Ryzyko skażenia środowiska kwasem mrówkowym także jest niewielkie.

Ogniwa paliwowe na kwasie mrówkowym znalazłyby liczne zastosowania. Ich przydatność byłaby szczególnie wysoka w przenośnych urządzeniach elektronicznych – telefonach komórkowych, laptopach, GPS-ach. Ogniwa te mogłyby być instalowane także jako źródła zasilania pojazdów, od wózków inwalidzkich przez elektryczne rowery po jachty.

W IChF PAN rozpoczynają się obecnie badania nad pierwszymi bateriami zbudowanymi z ogniw paliwowych na kwasie mrówkowym. Naukowcy spodziewają się, że prototyp komercyjnego urządzenia powinien być gotowy w ciągu kilku lat.

Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski