Raziskovalci Laboratorija za analizno kemijo in industrijsko analizo Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru so sodelovali pri mednarodni raziskavi, ki pomembno spreminja razumevanje delovanja niklja pri elektrokemijski proizvodnji vodika. Rezultati so bili objavljeni v ugledni znanstveni reviji Nature Catalysis v članku The role of individual nickel surface species in the hydrogen evolution reaction on nickel in alkaline electrolytes.

Objava v Nature Catalysis predstavlja pomemben znanstveni dosežek. Revija skupine Nature Portfolio objavlja vodilne raziskave z vseh področij katalize in povezuje temeljne raziskave z razvojem novih tehnologij. Po trenutno objavljenih podatkih Nature Portfolio ima revija faktor vpliva 48,3 za leto 2025, petletni faktor vpliva pa znaša 51,7.

Zakaj je ta raziskava pomembna?

Vodik je eden ključnih energentov pri prehodu v nizkoogljično družbo. Če ga proizvajamo z elektrolizo vode in električno energijo iz obnovljivih virov, lahko predstavlja pomemben način shranjevanja energije ter surovino za industrijske procese brez neposrednih emisij ogljikovega dioksida.

Ena od ovir pri širši uporabi elektrolize je cena katalizatorjev. Platina je izjemno učinkovita, vendar draga in redka. Nikelj je bistveno dostopnejši in se že desetletja uporablja v alkalnih elektrolizerjih, vendar znanstveniki kljub številnim raziskavam še niso imeli enotnega odgovora na temeljno vprašanje: kaj na površini niklja dejansko pospešuje nastajanje vodika in kaj reakcijo zavira?

Površina niklja med delovanjem namreč ni sestavljena zgolj iz kovinskega niklja. Na njej in tik pod njo lahko nastajajo različne kemijske vrste, med njimi nikljev oksid (NiO), nikljev hidroksid (Ni(OH)₂) in vodikove oziroma hidridne vrste (NiH_x). V znanstveni literaturi so bile njihove vloge desetletja predmet različnih, pogosto nasprotujočih si razlag. Avtorji nove raziskave so zato pripravili skrbno kontrolirane nikljeve površine ter posamezne površinske vrste sistematično preučevali z elektrokemijskimi meritvami, XPS, ToF-SIMS, AFM in SEM ter rezultate povezali z izračuni na osnovi teorije gostotnega funkcionala, DFT.

Tri vrste na površini niklja – tri popolnoma različne vloge

Rezultati so pokazali presenetljivo jasno sliko.

NiO reakcije ne pospešuje. Deluje predvsem kot pasivna vrsta, ki prekrije del kovinske površine in tako zmanjšuje število mest, na katerih lahko poteka reakcija nastajanja vodika. Ugotovitev je pomembna, saj je del predhodne literature NiO pripisoval aktivnejšo katalitsko vlogo.

NiH_x oziroma vodik v podpovršinski plasti niklja reakcijo zavira. V tem primeru problem ni preprosto prekrivanje površine. Prisotnost vodika spremeni elektronske lastnosti niklja, zaradi česar postane ključni korak reakcije, cepitev molekule vode, energijsko zahtevnejši.

Najzanimivejša je vloga Ni(OH)₂. Ni(OH)₂ lahko v ustrezni količini izrazito pospeši reakcijo, vendar je ključno mesto njegov stik s kovinskim nikljem. Na meji Ni(OH)₂/Ni nastanejo nova, zelo aktivna reakcijska mesta, ki olajšajo razcep molekule vode in s tem nastajanje vodika.

Poenostavljeno si lahko površino predstavljamo kot delovno površino: NiO del razpoložljivih mest prekrije, NiH_x spremeni lastnosti podlage in delo upočasni, pravilno razporejen Ni(OH)₂ pa ob stiku s kovinskim nikljem ustvari posebej učinkovita reakcijska mesta.

Od razlage desetletja starih neskladij do načrtovanja učinkovitejših elektrolizerjev

Pomembnost rezultatov presega posamezen katalizator. Avtorji so ponovno analizirali veliko število predhodno objavljenih podatkov in pokazali, da se navidezno velike razlike v aktivnosti nikljevih katalizatorjev močno zmanjšajo, ko so podatki ustrezno normalizirani na elektrokemijsko aktivno površino in korigirani za ohmske izgube. Del izjemno visokih aktivnosti, o katerih je poročala literatura, je bil povezan predvsem z veliko površino materialov in ne z večjo intrinzično aktivnostjo katalitskih mest.

Nova raziskava tako postavlja bolj jasno osnovo za primerjanje nikljevih katalizatorjev. Za razvoj učinkovitejših alkalnih elektrolizerjev postaja ključna kontrola dejanskega kemijskega stanja površine: ohraniti je treba ustrezno količino Ni(OH)₂ v neposrednem stiku s kovinskim Ni ter hkrati omejevati nastajanje NiO in podpovršinskih vodikovih vrst.

Pomemben prispevek Univerze v Mariboru

Med avtorji raziskave je pet raziskovalcev z afiliacijo Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru: dr. Dževad K. Kozlica, prof. dr. Matjaž Finšgar, dr. Milena Martins, asist. dr. Katja Andrina Varda in asist. Azra Osmić. Vsi so povezani z Laboratorijem za analizno kemijo in industrijsko analizo FKKT UM, ki ga vodi prof. dr. Matjaž Finšgar. Raziskavo je vodil dr. Dušan Strmčnik s Kemijskega inštituta.

Dosežek zato predstavlja konkreten primer pomena sistematičnih vlaganj Univerze v Mariboru v vrhunsko raziskovalno infrastrukturo. V okviru projekta RIUM oziroma prve večje nadgradnje raziskovalne infrastrukture UM sta bila na FKKT UM med drugim pridobljena sistema za XPS in ToF-SIMS MS/MS, ki sta namenjena raziskavam površin, tankih plasti in faznih mej, ki se nadaljuje v projektu GIGA NMR.

Takšni rezultati kažejo, kako se dolgoročno vlaganje v raziskovalno opremo, znanje in razvoj kadrov pretvarja v znanstvene rezultate, objavljene v najzahtevnejšem mednarodnem prostoru.

Sestava raziskovalne skupine pa odraža pomen povezovanja Univerze v Mariboru, Kemijskega inštituta, Univerze v Ljubljani, Argonne National Laboratory ter drugih partnerskih ustanov pri reševanju zahtevnih vprašanj na področju elektrokemije, analizne kemije, katalize in energetskih tehnologij.