Globalna transformacja w kierunku czystych źródeł energii i dekarbonizacji gospodarki napotyka jedną kluczową przeszkodę: cenę i dostępność materiałów niezbędnych do produkcji zielonego wodoru. Przez lata naukowcy na całym świecie poszukiwali rozwiązania problemu irydu, metalu szlachetnego cenniejszego od złota, który jest kluczowy dla wydajnej produkcji wodoru z wody. Teraz, dzięki rewolucyjnej technologii opracowanej na amerykańskim Uniwersytecie Northwestern we współpracy z Instytutem Badawczym Toyoty (TRI), wydaje się, że rozwiązanie zostało znalezione, i to w rekordowym czasie.

Zespołowi badaczy udało się odkryć nowy materiał, który nie tylko dorównuje wydajnością irydowi, ale pod pewnymi względami nawet go przewyższa, a wszystko to za ułamek kosztów. Ten przełom nie tylko otwiera drzwi do znacznie tańszej produkcji zielonego wodoru, ale także dowodzi siły nowego podejścia, które może fundamentalnie zmienić sposób, w jaki odkrywamy nowe materiały do wszystkiego, od baterii po zaawansowaną medycynę.

Iryd: Drogie i rzadkie wąskie gardło zielonej transformacji

Zielony wodór jest uważany za świętego Graala przyszłej energetyki. Jest produkowany w procesie elektrolizy wody, gdzie za pomocą energii elektrycznej cząsteczki wody są rozdzielane na tlen i wodór. Podczas gdy wodór jest pożądanym produktem, reakcja wydzielania tlenu (OER - Oxygen Evolution Reaction) stanowi technicznie najtrudniejszą i najwolniejszą część procesu. Aby przyspieszyć tę reakcję i uczynić ją bardziej wydajną, potrzebne są katalizatory, i tu na scenę wkracza iryd.

Iryd okazał się najskuteczniejszym i najstabilniejszym katalizatorem, szczególnie w warunkach kwaśnych, typowych dla elektrolizerów PEM, jednej z wiodących technologii produkcji wodoru. Jednak iryd ma dwie ogromne wady. Po pierwsze, jest jednym z najrzadszych pierwiastków w skorupie ziemskiej. Najczęściej pozyskuje się go jako produkt uboczny wydobycia platyny, a jego roczna produkcja mierzona jest w zaledwie kilku tonach. Po drugie, jego rzadkość dyktuje również astronomiczną cenę. Z ceną wahającą się około 5000 dolarów za uncję, jest znacznie droższy od złota. Eksperci są zgodni: na świecie po prostu nie ma wystarczającej ilości irydu, aby zaspokoić prognozowane potrzeby masowej produkcji zielonego wodoru. Jest to fundamentalna przeszkoda hamująca globalną ekspansję gospodarki wodorowej.

Megabiblioteka: Fabryka nanomateriałów na jednym chipie

W obliczu tego wyzwania zespół pod kierownictwem Chada A. Mirkina, pioniera nanotechnologii z Uniwersytetu Northwestern, zastosował swój rewolucyjny wynalazek o nazwie „megabiblioteka”. Jest to platforma, która funkcjonuje jako swoista „fabryka danych” dla nanomateriałów. Na jednym maleńkim chipie, mniejszym od znaczka pocztowego, umieszczono miliony, a nawet setki milionów, unikalnie zaprojektowanych nanocząstek.

Proces tworzenia megabiblioteki jest fascynujący. Używa się matryc z dziesiątkami tysięcy mikroskopijnych, piramidalnych końcówek, z których każda działa jak miniaturowe „nano-pióro”. Końcówki te nanoszą na powierzchnię chipa maleńkie kropelki roztworów soli metali w precyzyjnie zdefiniowanych kombinacjach. Każda kropelka stanowi unikalny „przepis”. Po naniesieniu wszystkich kropelek chip jest podgrzewany, co prowadzi do redukcji soli i formowania stałych nanocząstek, każda o dokładnie określonym składzie chemicznym i rozmiarze. Jak obrazowo wyjaśnił profesor Mirkin: „Można sobie wyobrazić każdą końcówkę jako maleńką osobę w maleńkim laboratorium. Zamiast jednej osoby tworzącej jedną strukturę, masz miliony ludzi. Zasadniczo masz całą armię badaczy rozmieszczoną na jednym chipie.”

Błyskawiczne poszukiwania idealnego zamiennika

Tradycyjne odkrywanie materiałów to powolny i żmudny proces, pełen niezliczonych prób i błędów. Megabiblioteka przyspiesza ten proces wykładniczo. W tym konkretnym badaniu celem było znalezienie taniej i powszechnie dostępnej alternatywy dla irydu. Naukowcy skupili się na kombinacjach czterech znacznie łatwiej dostępnych metali znanych ze swoich właściwości katalitycznych: rutenu, kobaltu, manganu i chromu.

Na chipie stworzono niewiarygodne 156 milionów unikalnych nanocząstek, każda o innym stosunku tych czterech metali. Po syntezie na scenę wkroczył zrobotyzowany skaner o wysokiej przepustowości. Ten zautomatyzowany system szybko i wydajnie przetestował każdą z milionów cząstek, aby ocenić jej zdolność do katalizowania reakcji wydzielania tlenu. Na podstawie tych wstępnych testów zespół zidentyfikował najbardziej obiecujących kandydatów i wybrał ich do dalszych, bardziej szczegółowych badań laboratoryjnych.

Zwycięska formuła: Stabilność i wydajność bez wysokiej ceny

Po rygorystycznych testach jedna kompozycja wyróżniła się jako absolutny zwycięzca. Chodzi o specyficzną kombinację wszystkich czterech metali w postaci tlenków: Ru52Co33Mn9Cr6. Wiadomo, że katalizatory wielometaliczne często wykazują efekty synergiczne, gdzie połączenie pierwiastków daje lepsze rezultaty niż każdy pierwiastek z osobna. Potwierdziło się to również w tym przypadku.

Nowy materiał wykazał aktywność równą, a w niektórych testach nawet nieco wyższą niż komercyjne katalizatory na bazie irydu. Ale prawdziwe zwycięstwo leży w jego stabilności. Ruten, który sam w sobie jest dobrym katalizatorem, jest często niestabilny w agresywnych warunkach kwaśnych. Jednak w tej kombinacji kobalt, mangan i chrom działają jako stabilizatory, zapewniając materiałowi długotrwałą wytrzymałość. W testach długoterminowych nowy katalizator działał przez ponad 1000 godzin z wysoką wydajnością i wyjątkową stabilnością w trudnych warunkach. Gdy dodać do tego aspekt finansowy – szacowany koszt tego materiału jest około szesnaście razy niższy od irydu – jasne jest, że mamy do czynienia z odkryciem o ogromnym potencjale.

Przyszłość leży w połączeniu nanotechnologii i sztucznej inteligencji

Ten sukces jest ważny nie tylko dla przyszłości zielonego wodoru, ale także dla całej dziedziny materiałoznawstwa. Podejście oparte na megabibliotekach generuje ogromne ilości wysokiej jakości danych na temat związku między strukturą materiału a jego właściwościami. Takie zbiory danych stanowią idealną podstawę do zastosowania sztucznej inteligencji (AI) i uczenia maszynowego.

Uniwersytet Northwestern, TRI i Mattiq, firma typu spin-out wywodząca się z laboratorium uniwersyteckiego, opracowały już algorytmy uczenia maszynowego, które potrafią analizować dane z megabibliotek z prędkością przewyższającą ludzkie możliwości. AI potrafi rozpoznawać subtelne wzorce i korelacje oraz przewidywać, które kombinacje pierwiastków mogą dać jeszcze lepsze wyniki, kierując w ten sposób przyszłe badania. Jak podkreśla profesor Mirkin, to dopiero początek. Celem jest zastosowanie tej platformy do poszukiwania lepszych materiałów w niemal wszystkich sektorach technologicznych: od bardziej wydajnych baterii i materiałów do reaktorów termojądrowych po zaawansowane komponenty optyczne i urządzenia biomedyczne. Żyjemy w świecie, który często nie wykorzystuje najlepszych możliwych materiałów, ale te, które były dostępne za pomocą narzędzi z przeszłości. Ta technologia daje szansę, aby to zmienić i znaleźć optymalne rozwiązanie dla każdego zastosowania, bez kompromisów.