Η αντικατάσταση της ακριβής πλατίνας με τον …ταπεινό σίδηρο σε ενεργειακές τεχνολογίες, όπως οι κυψέλες καυσίμου και μπαταριών, που χρησιμοποιούν πολύτιμα μέταλλα ως καταλύτη, είναι εφικτή χάρη σε προηγμένους ηλεκτροκαταλύτες που μελετούν επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Κορνέλ των ΗΠΑ (Cornell University), το Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων και το Εθνικό Κέντρο Έρευνας Φυσικών Επιστημών «Δημόκριτος».
Τις καινοτομίες που αναπτύχθηκαν με στόχο να αλλάξουν το ενεργειακό τοπίο σε ό,τι αφορά πληθώρα συσκευών μετατροπής και αποθήκευσης ενέργειας, παρουσίασε ο καθηγητής Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Κορνέλ των ΗΠΑ Εμμανουήλ Γιαννέλης, στην κεντρική ομιλία της εναρκτήριας συνεδρίας του 22ου διεθνούς επιστημονικού συνεδρίου Nanosciences and Nanotechnologies, στο πρόγραμμα της διεθνούς έκθεσης NANOTEXNOLOGY 2025 που γίνεται αυτές τις μέρες στη Θεσσαλονίκη.
Οι νέες τεχνολογίες αντικαθιστούν την πλατίνα που είναι εξαιρετικά ακριβή
Όπως εξήγησε ο καθηγητής, σήμερα βασικό πρόβλημα για τις εμπορικά διαθέσιμες ενεργειακές τεχνολογίες, συμπεριλαμβανομένων των κυψελών καυσίμου και των μπαταριών, αποτελεί το ότι βασίζονται σε πολύτιμα μέταλλα, κυρίως την πλατίνα, που αν και αποτελεσματική, είναι εξαιρετικά ακριβή και παρουσιάζει προβλήματα σταθερότητας με την πάροδο του χρόνου, παράμετροι οι οποίες επιφέρουν υψηλό κόστος και περιορίζουν την ευρεία υιοθέτηση αυτών των τεχνολογιών.
Οι επιστήμονες που συνεργάστηκαν στο ερευνητικό πρόγραμμα που παρουσίασε ο κ. Γιανέλλης, ανέπτυξαν νέα καταλυτικά συστήματα, που αποδίδουν εξίσου καλά με τα συστήματα πλατίνας- άνθρακα, αξιοποιώντας καινοτόμες συνθετικές προσεγγίσεις, όπως οι υπεργολικές αντιδράσεις και οι καταλύτες μονού ατόμου, που καθιστούν τα συστήματα πιο οικονομικά, αποδοτικά και φιλικά προς το περιβάλλον.
Στιγμιότυπο από την έκθεση στη Θεσσαλονίκη © ΑΠΕ
Συγκεκριμένα, οι υπεργολικές αντιδράσεις αξιοποιούνται ως εργαλείο για τη δημιουργία υλικών με πολύ υψηλή ειδική επιφάνεια, λόγω της εξαιρετικά έντονης και στιγμιαίας απελευθέρωσης ενέργειας. Όπως εξήγησε ο καθηγητής οι υπεργολικές αντιδράσεις, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε συστήματα προώθησης αεροσκαφών και πυραύλων, όπως δορυφόρους, επανδρωμένα διαστημόπλοια, στρατιωτικά αεροσκάφη και διαστημικές αποστολές βαθέος διαστήματος, για παραγωγή πρόωσης και υδραυλικής ισχύος, πραγματοποιούνται με την ανάμειξη ενός οργανικού καυσίμου και ενός οξειδωτικού, που αναφλέγονται αυτόματα με την επαφή, απελευθερώνοντας τεράστια ποσότητα ενέργειας.
Ο ερευνητής Νικόλαος Χαλμπές και η ομάδα του στο Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων αξιοποίησαν αυτή την εκρηκτική ενέργεια για να συνθέσουν μη πορώδη υλικά, μεταξύ των οποίων και ανθρακικά υλικά, με εφαρμογές στην ηλεκτροκατάλυση. Τα υπεργολικά μείγματα ορίζονται ως δύο διαφορετικές χημικές ουσίες που αναφλέγονται αυθόρμητα όταν έρχονται σε επαφή μεταξύ τους σε θερμοκρασία δωματίου και ατμοσφαιρική πίεση. Μία ουσία λειτουργεί ως ισχυρό οξειδωτικό (π.χ. ατμίζον HNO3, N2O4, H2O2, Cl2), και η άλλη ως οργανικό καύσιμο (π.χ., ανιλίνη, παράγωγα υδραζίνης, ιοντικά υγρά, ακετυλένιο). Η μέθοδος προσφέρει ταχεία δημιουργία προϊόντος -σε λίγα δευτερόλεπτα- και εξοικονόμηση ενέργειας.
Καταλύτες μεταλλικών νανοσωματιδίων
Περαιτέρω, ο κ. Γιανέλλης επισήμανε ότι η έρευνα στρέφεται στη βελτιστοποίηση της δομής και της σταθερότητας των καταλυτών μονού ατόμου (Single Atom Catalysts – SACs), όπου μεμονωμένα άτομα μετάλλου διασκορπίζονται σε πορώδη υποστρώματα, προσφέροντας αποτελεσματική αξιοποίηση των ενεργών κέντρων, ενισχύοντας έτσι τη δραστικότητα, τη σταθερότητα και την εκλεκτικότητα του καταλύτη.
Οι καταλύτες μεταλλικών νανοσωματιδίων (Metal NP) σε πορώδη υποστρώματα (π.χ. άνθρακες ή άνθρακες προσμιγμένοι με άζωτο) έχουν μελετηθεί εκτενώς για διάφορες εφαρμογές μετατροπής και αποθήκευσης ενέργειας, όπως κυψέλες καυσίμου και μπαταρίες. Τα νανοσωματίδια πλατίνας (Pt NPs) σε άνθρακα αποτελούν την τεχνολογία αιχμής για υλικά ηλεκτροδίων στην αντίδραση αναγωγής οξυγόνου (Oxygen Reduction Reaction – ORR) σε PEMFCs/AEMFCs (κυψέλες καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων ή ανιόντων), ωστόσο προκλήσεις αποτελούν το υψηλό κόστος της πλατίνας, η αστάθεια- διάλυση της πλατίνας κατά τη χρήση και η οξείδωση και διάβρωση του άνθρακα. Για τον λόγο αυτό, όπως σημείωσε ο καθηγητής, η επιστημονική κοινότητα έχει επικεντρωθεί εδώ και καιρό στην ανάπτυξη καταλυτών από εναλλακτικά μέταλλα, με στόχο την αντικατάσταση των πολύτιμων μετάλλων, όπως η πλατίνα.
