Jak pozyskiwać paliwo z wody? Jak generować energię w ogniwach paliwowych? Co zrobić, żeby napęd na wodór był jeszcze bardziej wydajny? Nad takimi zagadnieniami pracuje dr hab. inż. Bartłomiej Szyja z Katedry Chemii i Technologii Paliw PWr.

Grupa naukowców z Polski, Holandii i Hiszpanii bada procesy zachodzące w katalizatorze do produkcji paliwa wodorowego. Za pomocą zaawansowanych metod chemii obliczeniowej poszukują oni najefektywniejszej metody pozyskiwania wodoru z wody.

– Mówi się, że wodór to paliwo przyszłości, choć tak naprawdę samochody napędzane paliwem wodorowym jeżdżą już m.in. w Japonii. W Europie nie ma jeszcze zbyt rozwiniętej infrastruktury np. stacji paliwowych, najbliższa znajduje się w Berlinie – wyjaśnia dr hab. inż. Bartłomiej Szyja, prof. uczelni. Dodaje, że wodór jako paliwo jest bardzo korzystny dla środowiska. Przy jego spalaniu nie powstają zanieczyszczenia np. dwutlenkiem węgla. Jedynym produktem ubocznym procesu spalania jest woda.

Problemem jednak jest źródło wodoru – obecnie otrzymuje się go w głównej mierze w procesach przetwarzania ropy naftowej, gdzie produkt uboczny to dwutlenek węgla. “Czysta” technologia pozyskiwania takiego paliwa jest znana już od dawna – wodę można rozszczepić wykorzystując energię światła lub energię elektryczną, pod warunkiem jednak że pochodzić ona będzie ze źródeł odnawialnych.

Cudowne, ale…

– Paliwo wodorowe jest zeroemisyjne. W jakikolwiek sposób nie próbowalibyśmy tego paliwa zużyć, to nie powstanie C0₂. W reakcji spalania H₂ i 0₂ zawsze powstaje H₂0. Bardziej czystego paliwa już nie ma – wyjaśnia naukowiec. Podkreśla jednak, że głównym problemem, który próbuje rozwiązać świat nauki i techniki, jest składowanie wodoru.

– Wodór to atom najmniejszy z możliwych. Cząsteczka H₂ jest tak mała, że może przenikać przez ściany butli, w której próbujemy ją przechować – wyjaśnia prof. Szyja. Rozwiązaniem nie jest zbudowanie zbiornika o grubszych ścianach, bo wtedy będzie on za ciężki i przez to bardzo niepraktyczny. Cały czas trwają więc poszukiwania innych możliwości – na przykład przechowywanie wodoru nie w postaci sprężonego gazu, a w postaci związków chemicznych, na przykład wodorków metali.

Kolejną trudnością jest fakt, że efektywność spalania wodoru w silniku jest zwykle nieduża i nie jest opłacalne dopasowanie obecnych na rynku silników samochodowych do tego rodzaju paliwa. – Alternatywą o znacznie większej efektywności są ogniwa paliwowe – tłumaczy chemik z PWr. – Przykładowo jedna z misji Apollo wykorzystywała tę technologię podczas lotów kosmicznych. Dzięki zastosowaniu ogniwa paliwowego zasilanego wodorem pojazd był zasilany energią, a astronauci mieli pitną wodę.

Po co katalizator?

W samochodach napędzanych wodorem stosuje się nieco inne ogniwa paliwowe niż w misjach Apollo, ale działające na podobnej zasadzie. Nie zachodzi w nich bezpośrednio reakcja spalania, czyli wodór nie miesza się z tlenem. Stosuje się natomiast katalizator, który powoduje, że cząsteczka wodoru ulega dysocjacji, tzn. rozdzieleniu na atomy. Protony – czyli jądra atomu wodoru – przepływają przez elektrolit, a elektrony przez przewodnik, dzięki czemu zachodzi w układzie przepływ prądu. Po drugiej stronie ogniwa następuje reakcja połączenia wodoru z tlenem.

– W dużym uproszczeniu standardowy silnik spalania wewnętrznego działa tak, że energię magazynuje w cząsteczkach chemicznych. Spalanie (utlenianie) prowadzi do powstawania ciepła, ciepło rozpręża gaz w cylindrze, co z kolei porusza tłokiem i przekształca się w energię mechaniczną, dzięki której samochód może jechać. W przypadku wodorowego ogniwa paliwowego wytwarzamy bezpośrednio energię elektryczną, która napędza pojazd – tłumaczy chemik z PWr.

Międzynarodowy zespół naukowców wraz z prof. Bartłomiejem Szyją i dr Agatą Podsiadły-Paszkowską z PWr, pracował nad takim fotokatalizatorem, w którym reakcja powstawania wodoru z wody mogłaby zachodzić pod wpływem światła słonecznego. Światło ultrafioletowe, które ma większą energię i nadaje się do tego celu znacznie lepiej, jest dosyć skutecznie filtrowane przez atmosferę Ziemi.

W skład konsorcjum oprócz Politechniki weszły grupy badawcze z Dutch Institute for Fundamental Energy Research z Eindhoven (Holandia), Universidad Pablo de Olavide z Sewilli (Hiszpania) i Technische Universiteit Delft (Holandia). Koordynatorem badań jest Instytut z Eindhoven. Projekt finansuje Unia Europejska i Narodowe Centrum Nauki.

Symulacje na wielu skalach

Prof. Bartłomiej Szyja: W naszym układzie wodór pozyskujemy z wody. Niestety nie jesteśmy w stanie stworzyć perpetuum mobile, w którym mamy wodór, z którego pobieramy energię, w wyniku czego powstaje woda, a potem znowu tworzymy z niej wodór. Tak się nie da, skądś musimy brać energię do "odwrócenia" reakcji. Mowa tu o energii słonecznej lub energii wiatrowej czy jądrowej, czyli takiej, która nie produkuje dwutlenku węgla jako produktu ubocznego. Aby tę energię wykorzystać jak najbardziej efektywnie, potrzebny jest katalizator. Dążymy do tego, aby katalizator wymagał jak najmniejszych nadpotencjałów, to pozwoli zminimalizować straty energii.

Naukowiec podkreśla, że ich projekt w całości miał charakter teoretyczny, bo taki był cel badań. Naukowcy opierali się na metodach chemii obliczeniowej. Robili symulacje zjawisk chemicznych, na podstawie których byli w stanie określić pewne parametry procesu, skład chemiczny katalizatora czy role różnych dodatków. Obliczenia wykonywali w różnych skalach, począwszy od chemii kwantowej (na poziomie pojedynczej cząsteczki wody), na modelu ciągłym układu kończąc.

– Nowatorskim podejściem jest to, że próbowaliśmy te skale połączyć. Efekt jest bardzo obiecujący, ale nie będziemy składać wniosków patentowych, bo nie da się opatentować cząsteczki wody – śmieje się naukowiec z PWr. Wyniki badań zespół udostępnia dla innych naukowców w formule open access. Ukazały się też trzy publikacje związane z projektem:

• Helping Thy Neighbor: How Cobalt Doping Alters the Electrocatalytic Properties of Hematite, Bartłomiej M. Szyja and Agata Podsiadły-Paszkowska, J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 11, 4402–4407,
• Tuning the Hematite (110) Surface Properties To Enhance Its Efficiency in Photoelectrochemistry, A. Podsiadły-Paszkowska, I. Tranca, B.M. Szyja, J. Phys. Chem. C., 2019, 123, 5401-5410,
• On the design of models for an accurate description of the water - hematite interface, Juan Jose Gutierrez-Sevillano, Agata Podsiadły-Paszkowska, Bartłomiej M. Szyja, Sofia Calero, Applied Surface Science, 2021, 560, 149884.

Zeroemisyjność na czasie

– Można kontynuować nasze badania albo wykorzystać je do zaprojektowania urządzenia na bazie paliwa wodorowego – mówi prof. Szyja. Dodaje, że ogniwa paliwowe (nie tylko te na bazie wodoru) to temat bardzo rozwojowy. W Polsce niewiele ośrodków naukowych zajmuje się jego zgłębianiem.

– Ta technologia będzie rozwijana, więc nasze katalizatory będą ważnym elementem potrzebnym do produkcji paliwa wodorowego na szeroką skalę. Mamy więc idealny moment na takie badania. Zwłaszcza, że kwestia zeroemisyjności jest bardzo na czasie – podkreśla.

Dzięki temu projektowi Politechnika Wrocławska stała się częścią międzynarodowej struktury COST (European Cooperation in Science and Technology). Bierze w niej udział kilkadziesiąt jednostek z całego świata, które pracują nad produkcją wodoru różnymi metodami.

Iwona Szajner