Katalyzátor prolamuje uhlíkovou vazbu

Týmu vědců z laboratoří amerického ministerstva energetiky Brookhaven National Laboratory (BNL), University of Delaware a newyorské soukromé university Yeshiva University se podle informace uveřejněné v Nature Materials koncem ledna 2009 podařilo vyvinout nový katalyzátor, jenž umožňuje získat proud přímou oxidací etanolu v palivových článcích.

O etanolu je známo, že je svou energetickou hustotou (etanol 30 MJ/kg, benzin 96 ca. 46,4 MJ/kg, diesel 46,2 MJ/kg, biodiesel 42,2 MJ/kg a metanol 19,7 MJ/kg) ideálním palivem pro palivové články. Jeho výroba jako obnovitelného zdroje je jednoduchá a ekonomická i ve velkých množstvích, snadno se přepravuje a k využití lze využít stávající infrastruktury. Blíží se i vznik enzymu pro fermentaci lignocelulosických zdrojů biomasy, které vyloučí a odlehčí používání potravinářské biomasy a umožní zpracovat odpad dřeva, slámy, rychlerostoucích dřevin a papírového odpadu na bioethanol 2. generace. Výzkumníci P. R. Andersen a A. L. Tuxen z dánské firmy Novozymes odhadují, že by se tak mohlo stát už v roce 2010. Ještě několik let si ale pak vyžádá postupná výstavba pilotních, demonstračních a průmyslových závodů s roční kapacitou 100 mil.litrů.

TERNÁRNÍ KATALYZÁTOR JE NA SVĚTĚ

Chemickému využití k získání energie dosud brání pomalá a málo účinná oxidační reakce etanolu na CO2, vodík a elektrony se stávajícími katalyzátory. Již dříve zkoušené katalyzátory na Pt-Ru a jiné bázi vytváří acetaldehyd a kyselinu octovou jako vedlejší produkty, které znemožňují funkci článku. Nyní se však podařilo vyvinout účinný ternární Pt/Rh/SnO2 elektrokatalyzátor vyloučením klastrů atomů platiny a rhodia na povrchu uhlíkem dopovaných nanočástic oxidu cíničitého SnO2. I když bylo nutno nanočástice platiny pozlatit, aby nedocházelo k jejich oxidaci a vývoji reakce nežádoucím směrem. Vznik vedlejších a vyšších oxidačních produktů je zde potlačen a tak dominuje reakce:

C2H5OH + 3 H2O 2 CO2 + 12 H+ + 12 e- ,

nutná pro tvorbu elektronů a vznik elektrického proudu.

SEN GENERACÍ VĚDCŮ

S novým katalyzátorem se podařilo vyřešit cíl mnoha vědců, prolomit uhlíkovou vazbu a to i za normální teploty. Tím se stala schůdnou cesta ke vzniku palivového článku s přímou oxidací etanolu Direct Ethanol Fuel Cell (DEFC) s využitím technologických a materiálových zkušeností získaných při vývoji článků Protone Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). Ten byl vyvinut pro použití vodíku k výrobě proudu a přímému vytápění, avšak široké užití vodíku má tolik problémů: efektivní výrobu, skladování, dopravu, distribuci a bezpečnost, že ještě nějakou dobu potrvá než budou ekonomicky překonány.

ČEKÁNÍ NA VAILLANTA

V jednu chvíli to vypadalo, že je za dveřmi kotel Vaillant s PEMFC články na vodík z reformovaného metanolu; byl vystaven v roce 2001 na veletrhu ISH ve Frankfurtu. Ve stánku dával teplo a proud 24 hodin denně po dobu 5 dní. Na jeho premiéru na veletrhu Aqua-therm 2002 jsme však čekali marně. Kotel Vaillant zaujal nejen tím, že vyráběl 4,6 kWe elektrické energie a 9 kWt tepla z vodíku připraveného v reformeru ze zemního plynu, přímou bezemisní přeměnou na katalyzátoru v PEMFC chemickou reakcí vodíku s kyslíkem ze vzduchu a za vzniku vody.

Zajímavé je i konstrukční řešení bipolárních desek a membrán baterie PEMFC s 200 články ze špičkových vysokoteplotních plastů Fortron (PPS), Vectra (LCP) a Celtec (PBI), snášejících teploty až 200 °C, od výrobců plastů Celanese a Ticona. Vlastní membránu tvoří úspěšný membránový materiál polymer DuPont Nafion na bázi PFSA (perfluorsulfonová kyselina/PTFE kopolymer) s řízenou permeabilitou.

Kotel po veletrhu prošel certifikací pro bezpečný provoz a účinné využití paliva, zmenšením, odlehčením a provozními zkouškami 300 000 h v laboratořích e.on a Ruhrgas. Zkoušky potvrdily mj. konstantní elektrickou účinnost a účinnost kotle vyšší než 80 %. V prosinci 2005 doba zkoušek překročila 1 mil. h. Vaillant však ve spolupráci se světovou jedničkou v oboru americkou firmou Plug Power očekává uvedení na trh až po dořešení nákladové stránky a funkční zralosti nejdříve v roce 2010. V roce 2006 získaly obě firmy společný grant na dokončení vývoje 2,5 mil. EUR od EU a 3,6 mil. USD od amerického ministerstva energetiky.

PALIVOVÉ ČLÁNKY PRO VYSOKOZDVIŽNÉ A PALETOVÉ VOZÍKY

Sama Plug Power je v realizaci PEMFC na vodík velmi daleko. Vyrábí PEMFC kotle Gen Sys pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla pro domácnosti s výkony 3 - 8 kW a baterie Gen Drive s palivovými články pro vysokozdvižné a paletové vozíky náhradou za olověné baterie. Jejich výhodou je 20 - 40 % úspora energie a snížení emisí CO2 o 25 - 35 %. Objev zde otevírá cestu k užití etanolu místo vodíku formou DEFC i pro tyto pohony. Efektivním marketingem získala Plug Power pilotní zakázku na baterie Gen Drive a čerpací stanice na vodík pro paletové vozíky v síti řetězce Wal-Mart, zatím ve státu Ohio. Využití v USA nahrává i zákon o daňových úlevách až 30 % pro užití palivových článků a solárních zdrojů od 0,5 kW, platný od 9. 10. 2008 do 31. 12. 2016 se stropem částky 3 000 USD/kW pro domácnosti a 1 000 USD/kW pro podnikání.

VÝHLED ORGANICKÝCH SYNTÉZ

Mezitím se Vaillant vydal cestou spolupráce s firmou Webasto a drážďanským ústavem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) směrem ke keramickým vysokoteplotním článkům SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), pracujícím při teplotě mezi 700 - 1 000 °C. Vedle řešení přímé výroby proudu a vytápění, objev vzbudil velkou naději, že katalyzátor bude schopen štěpit C - C vazbu i u jiných organických látek, čímž se otevře nová oblast organických syntéz s možností vzniku zcela nových materiálů.

Strukturní a elektronické vlastnosti elektrokatalyzátoru byly ověřeny v BNL špičkovou technikou rtg absorbčních metod využitím světelného zdroje synchrotronu NSLS (National Synchrotrone Light Source) a transmisní elektronové mikroskopie v Centru funkčních nanomateriálů BNL. Na jejich základě výzkumníci stanovili, že vysoká aktivita ternárního katalyzátoru je výsledkem synergie platiny, rhodia a oxidu cíničitého. Tento poznatek lze využít v dalších aplikacích alternativních zdrojů energie.

Výzkum je součástí amerického programu snížení závislosti na fosilních zdrojích ropy a plynu, které se, podle příkladů Ruska, Íránu, Venezuely a arabských států, stávají nástrojem nátlaku a ekonomického i politického vydírání.