6.3.2013, Rubrika: Medicína & Věda, Strana: 19, Autor: JOSEF MATYÁŠ, Téma: Matematicko fyzikální fakulta
Český vědec objevil způsob, jak podstatně snížit množství platiny používané v katalyzátorech
Auto poháněné vodíkem nesmrdí. Z výfuku odkapává pouze voda. Ekologický ideál silnic je ale velmi drahý. Jenom palivový článek, který přeměňuje vodík v elektřinu, stojí přibližně milion korun. Velkovýroba aut na vodík je zatímnereálná. Vědci po celém světě hledají způsob, jak cenu snížit. Pravděpodobně velmi blízko k cíli je tým profesora Vladimíra Matolína z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze.
„Srdcem“ palivového článku je katalyzátor s vrstvou pokrytou poměrně velkým množstvím platiny. Tento kov je vzácný a drahý. Profesor Matolín společně s manželkou během pobytu v Japonsku zkoumali nový materiál tvořený nanočásticemi oxidu ceru a platiny. Přitom dostali nápad, jak změnit způsob přípravy katalyzátoru.
Během dalšího vývoje na domácím pracovišti společně s kolegy ukázali, že s tisíckrát menším množstvím platiny lze získat téměř stejné množství elektřiny, kterou vyrábí dosavadní palivové články.
Tajemství úspěchu je skryto ve způsobu, jakým se vrstva s platinou vytváří. „Doposud se připravuje chemicky a výsledkem jsou mikroskopické kuličky uhlíku obalené nanočásticemi platiny,“ říká profesor Matolín. Jeho tým napadlo vytvořit vrstvu tzv. magnetronovým naprašováním. Tato technologie se běžně používá například pro úpravu okenních skel, aby nepropouštěla teplo, nebo se s její pomocí zvyšuje odolnost chirurgických nástrojů a implantátů.
„Magnetronovým naprašováním jsme vytvořili ultratenkou vrstvu, ve které jsou ionty platiny rovnoměrně rozmístěny v oxidu ceru. V takovém uspořádání dostává vzácný kov zcela nové vlastnosti,“ zdůrazňuje profesor. Díky nim se spotřebuje tisíckrát méně platiny než doposud. Navíc je nově vytvořená vrstva odolnější vůči oxidům uhlíku a sloučeninám síry, které zůstávají ve vodíku, pokud se vyrábí ze zemního plynu. Vodík tedy není nutné tak nákladně čistit, což rovněž sníží jeho cenu.
Ultratenká vrstva je už patentována ve Spojených státech, Japonsku, v jednání jsou patenty pro Čínu a Indii.
Laptopy poháněné metanolem Nový typ katalyzátoru má šanci pohánět nejen automobily, ale uplatnění by mohl najít také v domácnostech. Aparatura poněkud větší než pro osobní vůz, umístěná ve sklepě rodinného domku, by dokázala zásobovat elektřinou všechny spotřebiče. Získat nezávislost na dodávkách a rostoucích cenách elektrické energie může být pro mnoho lidí více než lákavé.
„Magnetronové naprašování dovoluje měnit poměry a uspořádání jednotlivých kovů. A když už víme, proč je rovnoměrně rozmístěná platina účinnější, můžeme strukturu vrstvy dále zdokonalovat a tak měnit vlastnosti katalyzátoru,“ poznamenává Vladimír Matolín.
Podle jeho slov lze vyrobit vodík například z kyseliny mravenčí, močoviny nebo také z metanolu. Právě tato kapalina, skloňovaná v poslední době především v souvislosti se smrtelnými otravami, je velmi vhodná pro využití v mikropalivovém článku. Dal by se využít například v laptopech.
„O vývoji takového zdroje energie budeme uvažovat až poté, co vyzkoušíme všechny možnosti našeho nového typu katalyzátoru ve vodíkových článcích,“ říká profesor Matolín.
V laboratoři dávají patentované typy katalyzátorů výborné výsledky, ale pro praktické využití je nutné vyrobit prototypy palivových článků, podrobit je zátěžovým testům a ověřit dlouhodobou stabilitu výkonu. Podle profesora Matolína jsou to ale už úkoly pro vývojové firmy. Právě proto nyní jedná s potenciálními investory o financování zkoušek.
Energie pro mikroroboty Poznatky z výzkumu českých odborníků zaujaly i další vědecké týmy. Od konce minulého roku profesor koordinuje projekt, na kterém se podílí osm pracovišť, z toho šest zahraničních. Kromě vědců Matematicko-fyzikální fakulty UK jsou to experti z Barcelonské univerzity, Univerzity de Bourgogne ve Francii a z německé Friedrich Alexander-Universität z Erlangenu Nürnbergu. V Česku se zapojila ještě firma L. E. T. Optomechanika Praha.
Na další výzkum se podařilo získat téměř sto milionů korun z evropských fondů. „Kromě kombinace platiny s oxidem ceru máme v úmyslu sledovat vlastnosti vrstvy, na kterou naprášíme platinu s jinými prvky, například wolframem, cínem nebo s karbidy,“ říká Vladimír Matolín. A v dalším kole bádání chtějí vědci vyzkoušet, jak bude zařízení fungovat, když nepoužijí ani špetku vzácného kovu.
Jedním z hlavních úkolů konsorcia osmi pracovišť je vyrobit také palivový mikročlánek, který by fungoval na křemíkových čipech. Měl by vydržet mnoho leta mohl by napájet například senzory pro autonomní miniroboty, kosmické technologie a medicínské přístroje.
„Nejde o aplikovaný výzkum, ale o krok naznačující, že taková cesta je možná. Další vývoj by musel převzít průmysl a vytvořit technologie použitelné v praxi. Pokud se náš plán vydaří, tak bychom mohli k budoucímu rozvoji mikročlánků přispět. Musím ale přiznat, že se jedná o značně obtížný úkol,“ vysvětluje profesor Matolín.
Nové zdroje vodíku Nejčastější námitkou na adresu ekologických vozů je drahá produkce vodíku. Pokud se vyrábí ze zemního plynu, vzniká značné množství CO2. Na jeden kilogram vodíku připadá sedmkrát více oxidu uhličitého. Ale i přes tuto skutečnost vodíková auta vyprodukují o polovinu méně skleníkových plynů než auta poháněná klasickými spalovacími motory.
Z fosilních paliv – zemního plynu, uhlí a ropy – se vytváří 96 procent z celosvětové produkce 55 milionů tun vodíku. Ty se spotřebují především v ropných rafineriích při výrobě benzinu a v potravinářství při ztužování tuků. Zbývající čtyři procenta připadají na elektrolýzu, kdy stejnosměrný proud rozštěpí chemickou vazbu mezi vodíkem a kyslíkem, ovšem spotřebuje se velké množství elektřiny.
Existují však i jiné možnosti. Například vysokoteplotní elektrolýza, kdy se kromě elektrického proudu využívá odpadní teplo z jaderných reaktorů čtvrté generace.
Velmi nadějné je štěpení vody na vodík a kyslík pomocí série termochemických reakcí. Nevýhodou je, že proces musí probíhat za vysokých teplot, až okolo jednoho tisíce stupňů. Potíže způsobuje také agresivita kyseliny sírové a jodovodíkové, což vyžaduje chemicky velmi odolné materiály. Problematická bude kontrola podmínek reakcí v průmyslovém měřítku. Na počátku vývoje je výroba vodíku pomocí mikroorganismů.