Kako iskoristiti silicij za bržu proizvodnju vodika?
Prema znanstvenicima sa Sveučilišta u Buffalu, super male čestice silicija mogu, reagirajući s vodom, gotovo trenutno proizvesti vodik.
U nizu eksperimenata, znanstvenici su stvorili sferne silicijske čestice promjera približno 10 nanometara. Ove čestice, u kombinaciji s vodom, reagiraju stvarajući silicijsku kiselinu (netoksični nusprodukt) i vodik, potencijalni izvor energije za gorive ćelije.
Spomenuta reakcija ne zahtijeva prisutnost svjetla, topline ili struje i stvara vodik 150 puta brže nego slične reakcije u kojima se koriste silicijske čestice promjera 100 nanometara i 1000 puta brže od slučajeva kada se koristi standardni silicij, navodi se u studiji.
Rezultati istraživanja su objavljeni na internetskoj stranici znanstvenog časopisa Nano Letters. Znanstvenici su uspjeli potvrditi čistoću stvorenog vodika testirajući ga u maloj gorivoj ćeliji korištenoj za napajanje ventilatora.
„Kada se vodik proizvodi elektrolizom vode, korištenje nano čestica silicija je vjerojatno bolje od nekih drugih, možda i očitijih, opcija koje ljudi proučavaju već dulje vrijeme, poput primjerice aluminija,“ govori istraživač Mark T. Swihart, profesor kemijskog i biološkog inženjeringa na Sveučilištu u Buffalu i ravnatelj sveučilišnog odjela Integrirani nanostrukturirani sustavi.
„Uz daljnji razvoj, ova bi tehnologija mogla formirati bazu novog „just add water“ (samo dodajte vodu) pristupa u bržoj proizvodnji vodika,“ kaže istraživač Paras Prasad, izvršni ravnatelj sveučilišnog Instituta za lasere, fotoniku i biofotoniku (Institute for Lasers, Photonics and Biophotonics – ILPB) i profesor na Odjelu kemije, fizike, elektrotehnike i medicine Sveučilišta u Buffalu. „Najpraktičnija primjena ove tehnologije bi bila upravo u području prijenosnih izvora energije.“
Pod vodstvom Prasarda i Swiharta, istraživanje su obavili znanstvenici sa Sveučilišta u Buffalu, od koji su neki povezani s kineskim Sveučilištem u Nanjingu i južnokorejskim Sveučilištem Korea. Folarin Erogbogbo, profesor asistent na ILPB-u i student na doktorskom studiju na Sveučilištu u Buffalu, je bio prvi autor studije.
Istraživače je iznenadila brzina kojom su 10-nanometarske čestice reagirale s vodom. U manje od minute, ove čestice su proizvele više vodika nego što proizvedu 100-nanometarske čestice u otprilike 45 minuta. Maksimalni stupanj reakcije kod 10-nanometarskih čestica je bio približno 150 puta brži. Swihart navodi da je razlog ovakvog odstupanja zapravo geometrija. Prilikom reakcije veće čestice stvaraju nesferne strukture čije površine s vodom potom reagiraju sporo i neujednačeno, za razliku od manjih, sfernih čestica, govori Swihart.
Iako su potrebni veliki resursi i značajna energija kako bi se proizvele super-male silicijske kuglice, ove čestice bi se mogle koristiti kao izvor energije za prijenosne uređaje u situacijama gdje je voda dostupna, a sama prenosivost važnija od niskih troškova. Primjeri ovakvih situacija su vojne operacije i aktivnosti vezane uz kampiranje.
„Do sada je bilo potpuno nepoznato da je moguće ovako brzo stvoriti vodik iz silicija, jednog od najzastupljenijih kemijskih elemenata na Zemlji,“ govori Erogbogbo. „Iako je sigurno skladištenje vodika veliki problem, on je svejedno odlična opcija kao alternativni izvor energije i jedna od praktičnih aplikacija našeg posla bila bi opskrba vodikom za napajanje gorivih ćelija. Kao na primjer u slučaju vojnih vozila ili drugih prijenosnih aplikacija koje se nalaze blizu vode.
„Možda bih umjesto nošenja benzinskog ili dizelskog generatora i spremnika s gorivom ili velikih kompleta baterija na kampiranje u blizini vode, mogao sa sobom uzeti vodikovu gorivu ćeliju (mnogo manju i lakšu od generatora) i nekoliko plastičnih uložaka silicijskog nanopraha pomiješanog s aktivatorom,“ kaže Swihart, zamišljajući buduće primjene ove tehnologije. „Također, na ovaj način bih osigurao i izvor energije za svoj satelitski radio i telefon, GPS, laptop, rasvjetu i slično. Ukoliko bih dobro tempirao stvari, možda bih čak mogao iskoristiti višak topline proizvedene u reakciji za zagrijavanje vode i pripremanje čaja.“
U gorivim ćelijama se kombiniraju vodik i kisik kako bi se proizvela struja, toplina i voda. Gorive ćelije se često uspoređuju s baterijama. Obje funkcioniraju po principu pretvaranja energije proizvedene u kemijskoj reakciji u korisnu električnu energiju. Razlika je u tome što goriva ćelija proizvodi struju dok god joj je osiguran stalni dotok goriva, odnosno vodika, nikad ne gubeći svoj naboj.
Gorive ćelije su perspektivna tehnologija s mogućom primjenom u kontekstu osiguravanja izvora topline i struje za stambene zgrade i kao izvor električne energije za elektro-motore u vozilima. One najbolje funkcioniraju kada se koristi čisti vodik. No goriva poput prirodnog plina, metanola ili čak benzina se mogu reformirati kako bi se proizveo adekvatan vodik za gorive ćelije. Određene gorive ćelije se čak mogu izravno napajati metanolom, isključujući tako potrebu za korištenjem tzv. reformatora goriva.
U budućnosti, vodik bi se mogao pridružiti struji kao važan nositelj energije. Nositelj energije prenosi i dostavlja energiju u korisnom obliku potrošačima. Obnovljivi izvori energije, poput sunca i vjetra, ne mogu proizvoditi energiju cijelo vrijeme. No mogu, na primjer, proizvoditi električnu energiju i vodik, koji se po potrebi na određeno vrijeme mogu uskladištiti. Vodik se također, poput struje, može prenijeti do različitih lokacija.
Izvor: University at Buffalo