Globalna tranzicija prema čistim izvorima energije i dekarbonizaciji gospodarstva suočava se s jednom ključnom preprekom: cijenom i dostupnošću materijala potrebnih za proizvodnju zelenog vodika. Godinama su znanstvenici diljem svijeta tražili rješenje za problem iridija, plemenitog metala dragocjenijeg od zlata, koji je ključan za efikasnu proizvodnju vodika iz vode. Sada, zahvaljujući revolucionarnoj tehnologiji razvijenoj na američkom Sveučilištu Northwestern u suradnji s Istraživačkim institutom Toyota (TRI), čini se da je rješenje pronađeno, i to u rekordnom vremenu.

Tim istraživača uspio je otkriti novi materijal koji ne samo da parira performansama iridija, već ga u nekim aspektima i nadmašuje, a sve to uz djelić troškova. Ovaj proboj ne samo da otvara vrata znatno jeftinijoj proizvodnji zelenog vodika, već dokazuje i snagu novog pristupa koji bi mogao iz temelja promijeniti način na koji otkrivamo nove materijale za sve, od baterija do napredne medicine.

Iridij: Skupo i rijetko usko grlo zelene tranzicije

Zeleni vodik smatra se svetim gralom energetike budućnosti. Proizvodi se postupkom elektrolize vode, gdje se uz pomoć električne energije molekule vode razdvajaju na kisik i vodik. Dok je vodik željeni proizvod, reakcija izdvajanja kisika (OER - Oxygen Evolution Reaction) predstavlja tehnički najzahtjevniji i najsporiji dio procesa. Kako bi se ta reakcija ubrzala i učinila efikasnijom, potrebni su katalizatori, a tu na scenu stupa iridij.

Iridij se pokazao kao najučinkovitiji i najstabilniji katalizator, posebice u kiselim uvjetima koji su tipični za PEM elektrolizatore, jednu od vodećih tehnologija za proizvodnju vodika. Međutim, iridij ima dva ogromna nedostatka. Prvo, jedan je od najrjeđih elemenata u Zemljinoj kori. Najčešće se dobiva kao nusproizvod rudarenja platine, a njegova godišnja proizvodnja mjeri se u svega nekoliko tona. Drugo, njegova rijetkost diktira i astronomsku cijenu. S cijenom koja se kreće oko 5.000 dolara po unci, znatno je skuplji od zlata. Stručnjaci se slažu: na svijetu jednostavno nema dovoljno iridija da bi se zadovoljile projicirane potrebe za masovnom proizvodnjom zelenog vodika. To je fundamentalna prepreka koja koči globalno širenje vodikove ekonomije.

Megaknjižnica: Tvornica nanomaterijala na jednom čipu

Suočen s ovim izazovom, tim predvođen Chadom A. Mirkinom, pionirom nanotehnologije sa Sveučilišta Northwestern, primijenio je svoj revolucionarni izum nazvan "megaknjižnica". Riječ je o platformi koja funkcionira kao svojevrsna "tvornica podataka" za nanomaterijale. Na jednom sićušnom čipu, manjem od poštanske marke, smještene su milijuni, pa čak i stotine milijuna, jedinstveno dizajniranih nanočestica.

Proces stvaranja megaknjižnice je fascinantan. Koriste se nizovi s desecima tisuća mikroskopskih vrhova, nalik piramidama, od kojih svaki djeluje kao minijaturni "nano-penkalo". Ovi vrhovi na površinu čipa nanose sićušne kapljice otopina metalnih soli u precizno definiranim kombinacijama. Svaka kapljica predstavlja jedinstveni "recept". Nakon što se sve kapljice nanesu, čip se zagrijava, što dovodi do redukcije soli i formiranja čvrstih nanočestica, svake s točno određenim kemijskim sastavom i veličinom. Kako je slikovito objasnio profesor Mirkin, "Možete zamisliti svaki vrh kao sićušnu osobu u sićušnom laboratoriju. Umjesto da jedna osoba izrađuje jednu strukturu, imate milijune ljudi. U osnovi, imate cijelu vojsku istraživača raspoređenu na jednom čipu."

Munjevita potraga za idealnom zamjenom

Tradicionalno otkrivanje materijala je spor i mukotrpan proces, ispunjen bezbrojnim pokušajima i pogreškama. Megaknjižnica taj proces ubrzava eksponencijalno. U ovom konkretnom istraživanju, cilj je bio pronaći jeftinu i dostupnu alternativu iridiju. Znanstvenici su se usredotočili na kombinacije četiriju znatno dostupnijih metala poznatih po svojim katalitičkim svojstvima: rutenija, kobalta, mangana i kroma.

Na čipu je stvoreno nevjerojatnih 156 milijuna jedinstvenih nanočestica, svaka s različitim omjerom ova četiri metala. Nakon sinteze, kroz scenu je prošao robotski skener visoke propusnosti. Ovaj automatizirani sustav je brzo i efikasno testirao svaku od milijuna čestica kako bi procijenio njezinu sposobnost da katalizira reakciju izdvajanja kisika. Na temelju tih preliminarnih testova, tim je identificirao najperspektivnije kandidate i odabrao ih za daljnja, detaljnija laboratorijska ispitivanja.

Pobjednička formula: Stabilnost i učinkovitost bez visoke cijene

Nakon rigoroznog testiranja, jedna se kompozicija istaknula kao apsolutni pobjednik. Riječ je o specifičnoj kombinaciji sva četiri metala u obliku oksida: Ru52Co33Mn9Cr6. Poznato je da viemetalni katalizatori često pokazuju sinergijske efekte, gdje kombinacija elemenata daje bolje rezultate nego svaki element pojedinačno. To se potvrdilo i u ovom slučaju.

Novi materijal pokazao je aktivnost koja je bila jednaka, a u nekim testovima čak i nešto viša od komercijalnih katalizatora na bazi iridija. No, prava pobjeda leži u njegovoj stabilnosti. Rutenij, koji je sam po sebi dobar katalizator, često je nestabilan u agresivnim kiselim uvjetima. Međutim, u ovoj kombinaciji, kobalt, mangan i krom djeluju kao stabilizatori, omogućujući materijalu dugotrajnu izdržljivost. U dugoročnim testovima, novi katalizator je radio više od 1.000 sati s visokom učinkovitošću i izvanrednom stabilnošću u teškim uvjetima. Kada se tome doda i financijski aspekt – procijenjeni trošak ovog materijala je otprilike šesnaest puta manji od iridija – jasno je da se radi o otkriću s golemim potencijalom.

Budućnost je u spoju nanotehnologije i umjetne inteligencije

Ovaj uspjeh nije važan samo za budućnost zelenog vodika, već i za cijelo polje znanosti o materijalima. Pristup temeljen na megaknjižnicama generira ogromne količine visokokvalitetnih podataka o odnosu strukture materijala i njegovih svojstava. Takvi skupovi podataka idealna su podloga za primjenu umjetne inteligencije (AI) i strojnog učenja.

Sveučilište Northwestern, TRI i Mattiq, spinout tvrtka proizašla iz sveučilišnog laboratorija, već su razvili algoritme strojnog učenja koji mogu analizirati podatke iz megaknjižnica brzinom koja nadmašuje ljudske sposobnosti. AI može prepoznati suptilne uzorke i korelacije te predvidjeti koje bi kombinacije elemenata mogle dati još bolje rezultate, usmjeravajući tako buduća istraživanja. Kako ističe profesor Mirkin, ovo je tek početak. Cilj je primijeniti ovu platformu na potragu za boljim materijalima u gotovo svim tehnološkim sektorima: od efikasnijih baterija i materijala za fuzijske reaktore do naprednih optičkih komponenti i biomedicinskih uređaja. Živimo u svijetu koji često ne koristi najbolje moguće materijale, već one koji su bili dostupni s alatima prošlosti. Ova tehnologija nudi priliku da se to promijeni i da se za svaku primjenu pronađe optimalno rješenje, bez kompromisa.