Výzkumníci z CSIR-Indian Institute of Petroleum v indickém Dehradunu ukázali postup, který by mohl snížit náklady na elektrody pro výrobu zeleného vodíku. Na titanovou fólii nanesli pulzně tenkou vrstvu niklu a v dlouhodobém testu v kyselém prostředí dosáhli srovnatelného výkonu jako komerční niklová síť. Základem není vzácný kov ani složité vícesložkové slitiny, ale průmyslově známé galvanické pokovování.
Ekonomika elektrolýzy vody je stále zatížena cenou materiálů používaných pro elektrody. Vysoce účinné katalyzátory často využívají kovy platinové skupiny, jejichž omezená dostupnost a vysoká cena komplikují masové nasazení. Nikl patří mezi levnější alternativy: při vývoji vodíku vykazuje vhodné vlastnosti, je dostupný a odolává provozu v kyselém i zásaditém prostředí.
Indický tým zvolil titanovou fólii jako nosný materiál. Titan je korozivzdorný v širokém rozmezí pH a používá se například pro proudové kolektory a bipolární desky v elektrolyzérech s protonvýměnnou membránou. Na upravený titan nanášeli nikl z takzvané Wattovy lázně, běžného roztoku pro průmyslové niklování obsahujícího síran nikelnatý, chlorid nikelnatý a kyselinu boritou.
Klíčové se ukázalo řízení samotného nanášení. Při příliš nízkém proudu vznikaly nesouvislé niklové ostrůvky, které vedly elektrický proud nedostatečně. Naopak silnější proud sice zvýšil množství naneseného niklu, ale povlaky se při výrobě vodíku odlupovaly a praskaly. Při střední proudové hustotě vznikla kompaktní jemnozrnná vrstva s drobnými dutinami, které usnadňují přístup elektrolytu k aktivnímu povrchu.
Další zlepšení přineslo pulzní pokovování. Celková doba nanášení 120 sekund byla rozdělena do několika kratších pulzů, mezi nimiž elektroda odpočívala 30 sekund bez proudu. Během těchto přestávek se k povrchu znovu dostávají ionty niklu a mohou se uvolnit bubliny vodíku vznikající při pokovování. Nejlepší výsledek přineslo osm pulzů: vytvořily rovnoměrnou strukturu částic, propojený povrch a síť dutin bez výrazných trhlin.
Rozhoduje kvalita povrchu, ne množství kovu
Optimalizovaná elektroda potřebovala v roztoku kyseliny sírové přepětí 143 milivoltů při proudové hustotě 10 miliampérů na čtvereční centimetr. Přepětí vyjadřuje dodatečnou energii nutnou k tomu, aby reakce výroby vodíku probíhala požadovanou rychlostí; nižší hodnota znamená nižší energetické ztráty.
Testy zároveň ukázaly, že největší aktivní plocha sama o sobě nezaručuje nejlepší výkon. Vzorek se čtyřmi pulzy měl sice rozsáhlejší elektrochemicky aktivní povrch, jeho oddělenější částice však zvyšovaly elektrický odpor mezi nimi. Osmipulzní vrstva nabídla vyváženější poměr mezi dostupností aktivních míst a elektrickou vodivostí.
Povlak fungoval v kyselém, zásaditém i neutrálním elektrolytu, byť v neutrálním fosfátovém roztoku byly reakční podmínky podstatně horší. V kyselině si elektroda během tříhodinových zkoušek při proudové hustotě až 100 miliampérů na čtvereční centimetr udržela stabilitu. Při nejvyšším zatížení se její potřebné napětí dokonce snížilo zhruba o 60 milivoltů, což autoři přisuzují aktivaci povrchu během provozu.
Nejdůležitější srovnání proběhlo při proudové hustotě 50 miliampérů na čtvereční centimetr v kyselině sírové po dobu 18 hodin. Plochá titanová elektroda s pulzně naneseným niklem zpočátku mírně zaostávala za komerční trojrozměrnou niklovou sítí, která má přirozeně větší povrch a rychleji odvádí plynové bubliny. Po počáteční aktivaci se však její pracovní potenciál dostal na srovnatelnou úroveň a ani u jedné elektrody se neprojevilo měřitelné zhoršení.
Výsledek naznačuje, že pro levnější výrobu elektrod nemusí být rozhodující vyšší spotřeba katalytického kovu. Podstatnější může být přesně nastavený výrobní postup, jenž zajistí přilnavý, elektricky propojený a pro elektrolyt dobře dostupný povrch. Pro výrobce elektrolyzérů je významné zejména to, že postup využívá materiály dostupné v běžném průmyslu, pracuje při pokojové teplotě a navazuje na zavedené technologie galvanického pokovování.
