به سوی تولید هیدروژن ارزان تر و تمیزتر | اخبار MIT

هیدروژن در مرکز برخی از مهمترین فرآیندهای صنعتی جهان قرار دارد، اما تولید آن همچنان با هزینه های زیست محیطی سنگین همراه است. امروزه بیشتر هیدروژن از طریق فرآیندهای با انتشار بالا مانند اصلاح متان بخار و گازی شدن زغال سنگ تولید می شود.

اما هیدروژن همچنین می تواند با تقسیم مولکول های آب با استفاده از برق تجدید پذیر، حذف انتشار سوخت های فسیلی و سایر محصولات جانبی سمی ساخته شود. چنین “هیدروژن سبز” با عبور جریان الکتریکی از طریق آب در یک الکترولیز ساخته می شود.

هیدروژن سبز تنها از طریق کربن زدایی مقیاس نمی شود. همچنین باید با روش‌های سنتی تولید رقابتی باشد.

1s1 Energy فکر می‌کند که این فناوری را دارد که در نهایت هیدروژن سبز را به جریان اصلی تبدیل کند. این شرکت می‌گوید که مواد غشایی مبتنی بر بور، عملکرد و دوام قبلی را در الکترولیزها باز می‌کند.

1s1 می‌گوید در آزمایش‌هایی با شرکای خود، الکترولایزرها با غشاهای خود در مقایسه با دستگاه‌های فعلی، تنها به 70 درصد انرژی برای تولید هر کیلوگرم هیدروژن نیاز داشتند.

دان سوبک 88، SM ’92، دکترای 97، یکی از بنیانگذاران 1s1 اذعان می کند: «هیدروژن سبز صنعت سختی بوده است که در آن موفق بوده است. “تفاوت با ما این است که ما کشف مشتری بسیار هدفمند انجام داده ایم. ما یک پیشنهاد ارزش بسیار قوی داریم که فقط مربوط به کربن زدایی نیست. ما خط لوله ای از مشتریان بالقوه داریم که شاهد کاهش حدود 60 درصدی هزینه های عملیاتی با فناوری ما هستند. این نقطه ورود خوبی است.”

اگرچه 1s1 در حال حاضر بر تولید هیدروژن متمرکز شده است، فناوری آن همچنین می تواند در سلول های سوختی و باتری های حالت جامد و برای استخراج فلزات حیاتی از زباله های معدن استفاده شود. این شرکت آزمایش‌هایی را در برخی از این کاربردها آغاز کرده است و با یک شرکت بزرگ مواد کار می‌کند تا تولید غشاهای خود را برای تولید هیدروژن افزایش دهد.

سوبک می گوید: «ما در نقطه عطف شرکت هستیم. برنامه این است که تا سال 2030 یک کسب و کار قوی در چندین بخش داشته باشیم: الکترولیز، استخراج مواد معدنی و در همکاری با چندین شرکت بزرگ. اما در حال حاضر، ما باید عاقلانه و متمرکز باشیم.

بهبود الکترولیز

سوبک در آرژانتین به دنیا آمد و بزرگ شد، اما او همچنین در MIT در طی سه مدرک تحصیلی و بیش از یک دهه بزرگ شد. او ابتدا در رشته هوانوردی و فضانوردی در MIT تحصیل کرد، سپس به عنوان دانشجوی کارشناسی ارشد به مهندسی مکانیک رفت، سپس به دپارتمان مهندسی برق و علوم کامپیوتر رفت و در آنجا زیر نظر مشاوران دکترا و اساتید MIT، مارتا گری و استفان سنتوریا کار کرد. پایان نامه او بر تکنیکی برای اندازه گیری سریع خواص نوری تعداد زیادی سلول بیولوژیکی متمرکز بود.

سوبک می‌گوید: «بسیاری از آموخته‌های من در مورد ریزساخت و شیمی مواد در نهایت برای 1s1 مرتبط بودند. “کلاسی که برای من بسیار مهم بود توسط پروفسور عمار بوز تدریس شد. من چند ترم برای او دستیار تدریس بودم و این تاثیر باورنکردنی بر تفکر من داشت.”

پس از فارغ التحصیلی، سوبک قبل از تأسیس شرکت خود، Zymera، در سال 2004، در میکروالکترونیک و میکروسیالات کار کرد. این شرکت فناوری تصویربرداری بافت عمیق را برای تشخیص سرطان و سایر بیماری های جدی توسعه داد.

در حدود سال 2013، سوبک با یکی از بنیانگذاران Zymera، Sukanta Bhattacharyya، درباره کارآمدتر کردن الکترولیز، با تمرکز بر الکترولیزهای “غشای تبادل پروتون” صحبت کرد. چنین الکترولایزرهایی از مقدار زیادی الکتریسیته برای تقسیم آب به یون های هیدروژن و اکسیژن استفاده می کنند. در مرکز آنها غشایی قرار دارد که می تواند کارایی خود را از طریق مقاومت ولتاژ از دست بدهد.

علاوه بر چالش بهره وری، برق اغلب گران تر از سوخت های فسیلی در بسیاری از نقاط جهان است. تولید سنتی هیدروژن همچنین از مزایای زیرساخت های موجود برخوردار است، که مقیاس تولید هیدروژن سبز را بسیار دشوارتر می کند.

Sobek و Bhattacharyya می‌دانستند که مهم‌ترین بخش این الکترولیزها غشای رسانای پروتون است که یون‌های هیدروژن را از آند به کاتد در سلول الکتروشیمیایی الکترولیزگر منتقل می‌کند.

سوبک به یاد می‌آورد: «از سوکانتا پرسیدم که چگونه می‌توانیم کارایی و دوام آن عنصر را افزایش دهیم. او به من جواب تک کلمه ای داد: بور.

به بور می توان بار منفی داد که باعث می شود یون های هیدروژن یا پروتون ها سریعتر به آن پیوند بخورند. سپس یون های هیدروژن می توانند از طریق غشاء فیلتر شده و در حین حرکت در سلول آزاد شوند. مواد مبتنی بر بور همچنین در برابر خوردگی پایدارتر و مقاوم تر هستند و عملکرد طولانی مدت الکترولیزها را بهبود می بخشند.

این شرکت به طور رسمی در اواخر سال 2019 تاسیس شد. پس از سال‌ها توسعه، امروز 1s1 یک نسخه شیمیایی از بور را به مواد پلیمری متصل می‌کند تا غشاهای خود را برای تبادل پروتون ایجاد کند.

سوبک می‌گوید: «اینها اولین غشاها با گروه‌های تبادل پروتون فوق‌اسیدی پایدار و بادوام هستند که کاتالیزورها را مسموم نمی‌کنند.

غشاهای ریز با ضربه بزرگ

در سال 2021، وزارت انرژی ایالات متحده هدفی را برای الکترولیز غشای تبادل پروتون برای دستیابی به بازده الکتریکی 77 درصدی تا سال 2031 تعیین کرد. Sobek می گوید 1s1 در حال حاضر به این نقطه عطف در آزمایشات رسیده است.

سوبک می‌گوید: «این فقط فناوری نیست، بلکه روشی است که ما از آن استفاده می‌کنیم، ما هیدروژن را برای استفاده در تولید مواد شیمیایی مختلف صنعتی قابل استفاده می‌کنیم.»

1s1 در حال حاضر با شرکای خود آزمایش‌هایی را انجام می‌دهد، از جمله یک شرکت برق متعلق به یک شرکت بزرگ فولاد در برزیل. این شرکت همچنین به طور فعال در حال بررسی برنامه های کاربردی دیگر برای فناوری خود است. سال گذشته، 1s1 پروژه ای را برای تولید آمونیاک سبز با شرکت Nitrofix از طریق بودجه مشترک وزارت انرژی ایالات متحده و وزارت انرژی و زیرساخت اسرائیل اعلام کرد. همچنین در حال کار با یک معدن بزرگ در برزیل برای استخراج ماده ای به نام نیوبیم است که برای فولادهای با استحکام بالا و همچنین باتری های با شارژ سریع مفید است. حتی می توان از فرآیند مشابهی برای استخراج طلا استفاده کرد.

سوبک می‌گوید: «ما می‌توانیم این کار را بدون استفاده از مواد شیمیایی خشن انجام دهیم، زیرا فرآیندهای استاندارد مورد استفاده برای استخراج نیوبیم و طلا از اسیدهای بسیار قوی در دمای بالا یا مواد شیمیایی بسیار سمی استفاده می‌کنند. برای من خوشحال کننده است زیرا کشور من آرژانتین با استفاده از مواد شیمیایی سمی برای استخراج طلا با مشکلات زیادی روبرو بوده است.

همانطور که 1s1 فناوری غشایی خود را افزایش می‌دهد، Sobek می‌گوید هدف این است که در هر جایی که فناوری بتواند فرآیندها را بهبود بخشد، مستقر شود.

Sobek می گوید: «ما تعداد زیادی مشتری بالقوه داریم زیرا این فناوری واقعاً اساسی است. “ایجاد فناوری های با تاثیر بالا همیشه سرگرم کننده است.”