Εάν οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι μια μέρα για να αντικαταστήσουν τα ορυκτά καύσιμα, οι μηχανικοί πρέπει να βρουν έναν τρόπο να τις αποθηκεύσουν αξιόπιστα και σε μεγάλη κλίμακα. Μια μέθοδος που μελετούν επί του παρόντος πολλοί ερευνητές περιλαμβάνει την αποθήκευση της ενέργειας σε αέρια μορφή μέσα στα ηλεκτρολυτικά κύτταρα.

Τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα λειτουργούν χρησιμοποιώντας ηλεκτρισμό για να πυροδοτήσουν μια αντίδραση ηλεκτρόλυσης που διασπά τα μόρια του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο. Ο ηλεκτρισμός μπορεί στη συνέχεια να ανακτηθεί αντιστρέφοντας την αντίδραση και ανασυνδυάζοντας το υδρογόνο και το οξυγόνο σε νερό.

Κατανόηση του τρόπου λειτουργίας των καταλυτών

Οι καταλύτες χρησιμοποιούνται για την επιτάχυνση των ηλεκτροκαταλυτικών αντιδράσεων χωρίς να καταναλώνονται στη διαδικασία. Οι καταλύτες που χρησιμοποιούνται για την ηλεκτρόλυση του νερού είναι οξείδια μετάλλων, μερικά από τα οποία τείνουν να λειτουργούν καλύτερα από άλλα – αν και ο ακριβής λόγος παραμένει άγνωστος. «Μπορέσαμε να δούμε ότι κατά την ηλεκτρόλυση του νερού ορισμένα οξείδια είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικά, στιβαρά και σταθερά», λέει η Βασιλική Τηλέλη, επίκουρη καθηγήτρια και επικεφαλής του Εργαστηρίου του EPFL για τον in situ Χαρακτηρισμό Νανοϋλικών με Ηλεκτρόνια. «Αλλά δεν μπορούμε πραγματικά να εξηγήσουμε γιατί αυτά τα οξείδια λειτουργούν καλύτερα, αφού δεν γνωρίζουμε ακριβώς τι συμβαίνει στον καταλύτη κατά τη διάρκεια της αντίδρασης».

Ένας καταλύτης νέας γενιάς

Για να το ανακαλύψουν, ο Tileli και ο Tzu-Hsien Shen, Ph.D. φοιτήτρια στο εργαστήριό της, παρατήρησε αντιδράσεις ηλεκτρόλυσης νερού κάτω από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, εξετάζοντας πώς συμπεριφέρεται ο καταλύτης κατά τη διάρκεια ολόκληρης της διαδικασίας δημιουργώντας εικόνες νανοσκοπικής κλίμακας. Χρησιμοποίησαν έναν καταλύτη οξειδίου τύπου περοβσκίτη που ονομάζεται BSCF. «Είναι ένας συναρπαστικός καταλύτης με εξαιρετικές ιδιότητες διάσπασης του νερού», λέει ο Tileli. “Οι περισσότεροι από τους καταλύτες που χρησιμοποιούνται αυτήν τη στιγμή, όπως αυτοί που κατασκευάζονται από ιρίδιο και ρουθήνιο, είναι αποτελεσματικοί αλλά πολύ ακριβοί και η προσφορά τους είναι περιορισμένη. Θα πρέπει τελικά να ανακαλυφθούν εναλλακτικές λύσεις.”

Οι Tileli και Shen κατέγραψαν εικόνες σωματιδίων BSCF σε πραγματικό χρόνο κατά τη διάρκεια κάθε βήματος του κύκλου ηλεκτρόλυσης. Είδαν να εμφανίζεται μοριακό οξυγόνο, που σημαίνει ότι η αντίδραση γινόταν, και επιβεβαίωσαν ότι η διαδικασία ήταν αναστρέψιμη. Είδαν επίσης ότι το BSCF είναι ιδιαίτερα ισχυρό.

Επιφάνειες που αλλάζουν από υδρόφοβες σε υδρόφιλες

Επιπλέον, η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι τα επιφανειακά άτομα των σωματιδίων ανακατανέμονται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, αλλάζοντας τις ιδιότητες της επιφάνειας. Ως αποτέλεσμα, τα σωματίδια αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους διαφορετικά σε διάφορα στάδια του κύκλου ηλεκτρόλυσης. Η επιφάνεια είναι υδρόφοβη (δηλαδή, υδατοαπωθητική) σε ορισμένα βήματα, ενώ σε άλλα είναι υδρόφιλη (δηλαδή, έλκεται νερό). «Αυτές οι παρατηρήσεις είναι μοναδικές», λέει ο Tileli. «Υποψιαζόμασταν ότι η επιφάνεια των σωματιδίων μπορεί να αλλάζει, αλλά αυτό δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ στο παρελθόν σε νανοσκοπική κλίμακα και σε πραγματικό χρόνο». Η ικανότητα ενός υλικού να αλλάζει εμπρός και πίσω μεταξύ της υδρόφοβης και της υδρόφιλης κατάστασης είναι ιδιαίτερα πολύτιμη για τους μηχανικούς και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ποικίλες εφαρμογές, όπως αισθητήρες, συστήματα καθαρισμού νερού και αυτοκαθαριζόμενες επιφάνειες. Τα ευρήματα των επιστημόνων δημοσιεύονται στο Nature Catalysis.