Električna energija iz metanola: indij pomaže platini

Može li se alkohol (metanol) oksidirati zrakom na vodu i ugljikov dioksid tako da pri njegovom „tihom gorenju“ nastaje električna struja? Može, može – ako se ima katalizator.

Nenad Raos subota, 4. studenog 2023. u 06:00

Među mnogim hipotezama, da ne kažem fantaziranjima o kamenu mudraca, bila je i jedna koja je kazivala da je kamen za kojim su tragali alkemičari upravo zato nevidljiv jer ga svatko vidi – baš kao što je Pitagora učio da nebeske sfere u svojem gibanju ispuštaju zvuk (jer se taru jedna o drugu), no nitko ga ne čuje jer ga stalno čuje. Nešto bi se takvo moglo reći i za platinu, metal čije ime znači „srebarce“ (deminutiv od španjolskog plata = srebro). Zašto baš tako? Zato što je rudari i talioničari koji su radili u južnoameričkim rudnicima srebra nisu prepoznali kao poseban metal, nego su mislili da je riječ o nečistom srebru. Platina je dakle nevaljalo srebro, srebro od kojeg se ne može kovati novac.

Kako su se prevarili! Platinu je kao posebni metal prepoznao Španjolac Antonio de Ulloa iz Seville sudjelujući u francuskoj geodezijskoj ekspediciji po Južnoj Americi. U Europi se platina pojavila 1735. godine da bi 13 godina kasnije bila opisana i u stručnoj literaturi. Otada je nezamjenjiva u kemijskom laboratoriju, jer se nijedna kovina ne odlikuje tolikom otpornošću na kemikalije, a usto ima vrlo visoko talište (1772 oC). Žarenjem u platinskom lončiću rade se najbolje analize, od platine se izrađuju najbolje elektrode. Kemičari nisu nikako uspjeli dobiti vrlo reaktivni fluor, sve dok Henri Moissan nije 1884. godine izradio čitavu aparaturu od platine. Samo je platina mogla izdržati korozivno djelovanje najlakšeg halogenog elementa!

Platina je još važnija kao katalizator. Ako je se priredi tako da u sebi ima pore (crna, spužvasta platina), moći će na dodir zapaliti vodik. No ne samo vodik. Na platinskoj mrežici gori amonijak, dajući dušikove okside potrebne za proizvodnju dušične kiseline, platina se nalazi u elektrodama vodikovih gorivnih ćelija no i kao katalizator za potpuno sagorijevanje ispušnih plinova u automobilskim ispušnicima. Platina je, riječju, univerzalni katalizator.

Platina je, kažem, univerzalni katalizator, ali vrlo skup katalizator. Usto se lako otruje, jer adsorbira kemijske spojeve koji joj smanjuju katalitičko djelovanje. To naročito vrijedi za reakciju oksidacije metanola u gorivnoj ćeliji za izravnu oksidaciju metanola (direct methanol fuel cell, DMFC), ćeliji koja omogućuje izravno dobivanje električne struje iz metilnog alkohola. Problem je što pri reakciji metanola i kisika nastaje kao međuprodukt ugljikov monoksid koji truje katalizator, dakako platinski.

Rješenje za taj problem pronašli su kineski znanstvenici te rezultate svojih istraživanja objavili u časopisu Molecules: „Hierarchical Pt-In nanowires for efficient methanol oxidation electrocatalysis“. Tajna njhovog postupka je u izrazu „Pt-In nanowires“ (Pt-In NWs), dakle u tanašnim, jedva deset nanometara debelim žičicama legure indija i platine.

Platina i indij grade, razumije se, mnoge legure, pa su ih kineski znanstvenici i iskušali. Najboljom se pokazala legura koja je na 89 atoma platine imala 11 atoma indija, Pt89In11. Od nje su napravili nanožice, dakle Pt89In11 NWs.

Podatak da ta legura platine i indija daje struju jakosti 1,42 ampera po miligramu platine ne govori mnogo ako ga se ne usporedi s uobičajenim materijalom od kojeg se izrađuju elektrode za oksidaciju metanola, naime platinom nanesenom na grafit (Pt/C). Tada se vidi da se time postiže ušteda u (skupoj) platini od 5,2 puta. Još se boljom pokazala nova elektroda u proizvodnji električne struje. Njome je postignuta gustoća električne struje od 6,2 mA/cm2, što je 14,4 puta više od gustoće struje na platinsko-ugljičnoj elektrodi. Iako gustoća električne struje pada na polovicu već nakon 280 sekundi, ona se može povratiti na početnu vrijednost regeneriranjem elektrode, jednostavnim narivavanjem napona.

Pred novom elektrodom leži svjetla budućnost jer je energiju dobivenu iz obnovljivih izvora najbolje pohranjivati u obliku amonijaka ili metanola, o čemu sam pisao na ovim stranicama (Skladištenje energije vjetra – isplati li se to? - Znanost @ Bug.hr). A platina? Platina je skupa, gram je stoji 30 eura, no za struju jakosti 1000 A – vidimo iz navedenih podataka –  treba izraditi elektrodu sa samo 0,7 grama platine (koja se usto vrlo lako reciklira).

Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije, povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji; član je društva ProGeo-Hrvatska i Odjela za prirodoslovlje i matematiku Matice hrvatske. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je 15 znanstveno-popularnih knjiga, posljednje dvije su „Kemija – muza arhitekture“ (u koautorstvu sa Zvonkom Pađanom) i „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“.