Polscy naukowcy stworzyli tani i wydajny katalizator etanolu

Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie dokonali przełomu w dziedzinie produkcji katalizatorów etanolu. Opracowana przez nich metoda laserowego stapiania zawiesin nanocząstek pozwala na wytwarzanie materiałów o porównywalnej lub nawet wyższej efektywności katalitycznej niż tradycyjne katalizatory platynowe, przy znacznie niższych kosztach.

Wyniki tych badań są obiecujące dla rozwoju ogniw paliwowych zasilany etanolem. Nowy katalizator może pozwolić na obniżenie kosztów produkcji tych ogniw, a także na zwiększenie ich wydajności i zmniejszenie ilości niepożądanych produktów ubocznych.

Niebagatelną przeszkodą na drodze do sukcesu komercyjnego ogniw etanolowych jest także ich cena. Znaleziony przez nas katalizator może mieć istotny wpływ na jej redukcję, a w konsekwencji na dostępność nowych ogniw na rynku konsumenckim. Jego głównym składnikiem jest bowiem nie platyna, lecz niemal 250 razy od niej tańsza miedź, mówi dr Mohammad Shakeri (IFJ PAN).

Główna idea metody polega na naświetlaniu zawiesiny nanocząstek impulsami nieskupionego światła laserowego. Energia dostarczana przez laser powoduje wzrost temperatury drobin, ich powierzchniowe topienie i zlepianie w większe struktury. Te struktury, nazywane aglomeratami, błyskawicznie stygną w kontakcie z otaczającą je chłodną cieczą.

Otrzymany w ten sposób materiał jest wykonany z pierwiastka, który jest znacznie tańszy niż platyna. Jednocześnie wykazuje on porównywalną lub nawet wyższą efektywność katalizy etanolu.

Opracowana przez naukowców z IFJ PAN metoda może mieć szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach, w tym w produkcji ogniw paliwowych, katalizatorów stosowanych w przemyśle chemicznym i w ochronie środowiska.

„W zależności od wartości temperatury osiąganej przez aglomeraty, w materiale oprócz zmian o charakterze czysto strukturalnym mogą zachodzić różnorakie reakcje chemiczne. W naszych badaniach skoncentrowaliśmy się na jak najdokładniejszej analizie teoretycznej i eksperymentalnej zjawisk fizycznych i chemicznych w zawiesinach, w których impulsy światła laserowego były absorbowane przez nanocząstki miedzi i jej tlenków”, wyjaśnia dr hab. Żaneta Świątkowska-Warkocka (IFJ PAN).

Otrzymane kompozyty katalityczne zostały przebadane w laboratoriach IFJ PAN i krakowskim cyklotronie SOLARIS. Badania te miały na celu określenie stopnia utlenienia związków miedzi w kompozytach.

Wyniki badań wykazały, że optymalną wydajność katalizy etanolu wykazuje trójskładnikowy układ zbudowany z miedzi i jej tlenków o pierwszym i drugim stopniu utlenienia (Cu2O i CuO).

„Z punktu widzenia efektywności katalizy etanolu kluczowe było odkrycie, że w naszym materiale występują cząsteczki zwykle termodynamicznie bardzo niestabilnego tlenku miedzi Cu2O3. Z jednej strony charakteryzują się one wyjątkowo wysokim stopniem utlenienia, z drugiej zaś znaleźliśmy je głównie na powierzchni drobin Cu2O, co w praktyce oznacza, że mają bardzo dobry kontakt z roztworem. To właśnie one ułatwiają adsorpcję cząsteczek alkoholu i rozrywanie znajdujących się w nich wiązań między węglem a wodorem”, stwierdza dr Shakeri.

Poniżej pokazujemy symulację laserowego stapiania nanocząstek miedzi i jej tlenków stworzoną przez IFJ PAN.