Od lidské krve k palivu

Krev stojí za dalším průlomem v koncepci palivových článků a dokonce i výroby syntetického paliva.

Japonský startup AZUL Energy, založený v roce 2019 na Univerzitě Tóhoku, vyvíjí řadu katalyzátorů, založených na unikátní molekulární struktuře, která napodobuje přírodní systémy. Katalyzátor AZUL, objevený během výzkumu modrého pigmentu na Univerzitě Tóhoku, má potenciál uplatnění v energetických zařízeních nové generace, jako jsou zařízení na výrobu vodíku, neboť představuje vysoce účinnou alternativu ke konvenčním katalyzátorům jako je platina, 30krát vzácnější než zlato. Tedy katalyzátor AZUL, který lze syntetizovat běžnými chemickými procesy, má katalytickou aktivitu srovnatelnou s katalyzátory na bázi vzácných kovů.

Návrh tohoto katalyzátoru byl inspirován reakcemi v živých organismech, kdy kyslík přijatý dýcháním je transportován po celém těle červenými krvinkami v krevním řečišti. Zde hraje klíčovou roli hemová struktura v proteinu hemoglobinu, který se nachází v červených krvinkách, kdy atom železa ve středu hemu umožňuje adsorpci a desorpci kyslíku, což usnadňuje jeho příjem a uvolňování. Se zaměřením na funkci této hemové struktury byl pak vyvinut katalyzátor ve formě molekul schopných účinně redukovat kyslík bez závislosti na vzácných zdrojích. Zde k tomu video: https://www.youtube.com/watch?v=LbprE3qROs0

Barvivo AZUL, které sdílí podobnou strukturu s hemem, je hustě adsorbováno jako monovrstva na povrchu uhlíkového nosiče. Vykazuje strukturu unimolekulárních vrstev a umožňuje existenci katalyticky aktivního centrálního kovu, analogického atomu železa v hemu ve vysoké hustotě, aniž by se vzájemně rušily. Jinak řečeno, katalyzátory AZUL představují řadu inovativních katalytických molekul, založených na ftalokyaninových a azaftalokyaninových strukturách. Přesným výběrem centrálních kovů a substituentů vznikají katalyzátory optimalizované pro širokou škálu elektrochemických reakcí, včetně reakce redukce kyslíku (ORR), reakce vývoje kyslíku (OER) a reakce vývoje vodíku (HER).

Japonský startup Azul Energy nahrazuje potřebu kovů vzácných zemin i ve vozidlech s palivovými články, vyžadujících platinu a iridium ke katalyzaci chemických reakcí. Tyto materiály nejsou široce dostupné a jsou extrémně drahé, což způsobuje překážky v dodavatelském řetězci. Azul Energy nahrazuje katalyzátory ze vzácných kovů unikátním pigmentem s cílem zajistit udržitelnou a nízkonákladovou produkci. Masa Hayashi, provozní ředitel a výkonný viceprezident společnosti Azul Energy, vysvětluje, jak technologie funguje: „Vyvinuli jsme patentovaný katalyzátor, který nahrazuje katalyzátory ze vzácných kovů pro systémy výroby vodíku. Náš katalyzátor Azul je formulován s použitím biomimetického kovového komplexního modrého pigmentu a uhlíku jako hlavních složek.“ A jak k tomu dodává, katalyzátor je „díky svým vlastnostem a chemické struktuře vysoce reaktivní, což z něj činí pozoruhodnou alternativu ke katalyzátorům na bázi vzácných kovů, protože dosahuje ekvivalentního nebo lepšího výkonu z hlediska nákladů a bezpečnosti.“

Ve spolupráci s Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) na Univerzitě Tóhoku již probíhá společný výzkum přeměny oxidu uhličitého (CO2) na oxid uhelnatý (CO) za použití ftalocyaninu kobaltu, levného pigmentu, jako katalyzátoru. Studie prokázala vysokorychlostní elektrolýzu při jedné z nejvyšších proudových hustot na světě (>1 A/cm²). Zde vyvinutá technologie elektrolýzy oxidu uhličitého tak umožní výrobu oxidu uhelnatého, důležitého meziproduktu pro syntetická paliva s použitím levného katalyzátoru na bázi pigmentu, tedy prostřednictvím vysoce účinného, nízkonákladového procesu.

Dá se tak očekávat, že tento pokrok významně přispěje k řešení problémů v koncepci palivových článků. Ale i při výrobě syntetického paliva, které by v EU umožnilo prodej automobilů se spalovacími motory po dalších několik desetiletí.

Odkazy na původní zdroje

Katalyzátor, který produkuje chemikálie jako enzymy v živých organismech:

https://sustainability.stanford.edu/news/scientists-create-artificial-catalysts-inspired-living-enzymes

Katalytické přístupy k účasti v chemických sítích živých organismů:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0040402022007517

Katalýza u vzniku života:

https://www.researchgate.net/publication/369470103_Catalysis_at_the_Origin_of_Life

Bioinspirovaná katalýza na křižovatce mezi biologií a chemií:

https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/chimie/articles/10.1016/j.crci.2010.01.013/

Umělé katalyzátory inspirované živými enzymy:

https://www.labmanager.com/scientists-create-artificial-catalysts-inspired-by-living-enzymes-1305

Azul Energy řeší omezení dodávek vodíkových palivových článků:

https://globalventuring.com/corporate/asia/azul-energy-battery-technology/

Japonský startup na Univerzitě Tóhoku:

https://azul-energy.co.jp/en/