Az MIT (Massachusetts Institute of Technology, Massachusettsi Műszaki Egyetem) kutatói új elektrokémiai eljárást dolgoztak ki, amellyel a hagyományos módszereknél jóval alacsonyabb hőmérsékleten lehet hidrogént kinyerni ammóniából. A technológia különlegessége, hogy nemcsak felgyorsítja a hidrogén felszabadítását, hanem egyúttal el is választja azt a többi reakcióterméktől, így külön tisztítás nélkül nagy tisztaságú hidrogén állítható elő.

A hidrogén fontos alapanyag a vegyiparban és a félvezetőgyártásban, emellett üzemanyagcellák energiahordozójaként is használható. Szállítása és tárolása azonban korántsem egyszerű: gáz formájában nagy nyomásra kell sűríteni, vagy rendkívül alacsony hőmérsékleten cseppfolyósítani.  Az egyik lehetséges megoldás, hogy a hidrogént olyan vegyületekben tárolják, amelyek könnyebben kezelhetők és szállíthatók, majd a felhasználás helyén szabadítják fel belőlük. Ilyen hidrogénhordozó lehet az ammónia (NH₃), amelynek szállítására és kezelésére már ma is kiterjedt ipari infrastruktúra áll rendelkezésre. A hidrogén visszanyerése azonban energiaigényes. Az ammónia hagyományos termikus bontása – az úgynevezett ammóniakrakkolás – jellemzően 500 Celsius-fok feletti hőmérsékletet igényel ahhoz, hogy megfelelő reakciósebességet és átalakulási arányt lehessen elérni. Ráadásul a folyamat végén keletkező hidrogént el kell választani a nitrogéntől és a visszamaradó ammóniától. Az MIT kutatóinak új eljárása ezt a két problémát egyszerre próbálja megoldani.

Elektromossággal „szivattyúzzák” ki a hidrogént

A rendszer kulcseleme egy palládiumalapú szeparációs membrán, amelyet egy hidrogént előállító elektródával kapcsoltak össze egy elektrokémiai cellában. A membrán szelektíven engedi át a hidrogént, miközben a reakcióelegy többi összetevőjét visszatartja. Az ammóniát először ruténiumot és céziumot tartalmazó katalizátor segítségével bontják. A felszabaduló hidrogén ezután eléri a palládiumalapú membránt, amelynek másik oldalán olvadékállapotú hidroxid-elektrolit található. A membrán két oldala között létrehozott elektrokémiai gradiens mintegy „vákuumot” teremt a hidrogén számára: erős hajtóerőt biztosít ahhoz, hogy a hidrogén áthaladjon a membránon. A folyamat során a hidrogénhez kapcsolódó töltéshordozók külön utakon haladnak tovább az elektroliton, illetve a külső áramkörön keresztül, majd a másik elektródán ismét hidrogéngázzá egyesülnek.

A végeredmény nagy koncentrációjú, tiszta hidrogén

A kutatók megfogalmazása szerint az elektrokémiai rendszer tulajdonképpen aktívan „átszivattyúzza” a hidrogént az alacsonyabb koncentrációjú oldalról a magasabb koncentrációjú oldalra. Már 200–300 Celsius-fok is elegendő lehet. A folyamatos hidrogénelvonásnak van egy további előnye is. Ha a keletkező hidrogént rögtön eltávolítják a reakció környezetéből, azzal magát az ammónia bomlását is elősegítik. Az új módszer tehát nem egyszerűen a reakció végén választja külön a hidrogént, hanem közvetlenül befolyásolja a kémiai folyamatot is. Ennek köszönhetően az ammónia hidrogénjének kinyerése mintegy 200–300 Celsius-fokos hőmérsékleten is végbe mehet, szemben a hagyományos ammóniabontás 500 Celsius-fokot meghaladó hőmérsékletével. További előny, hogy a rendszerből eleve nagy tisztaságú hidrogén távozik, így nincs szükség külön, energiaigényes utólagos tisztítási lépésre. Yogesh Surendranath, az MIT kémiaprofesszora és a kutatás vezetője szerint az eredmények azt mutatják, hogy elektrokémiai módszerekkel olyan dehidrogénezési reakciókat is hatékonyabban lehet vezérelni, amelyek termodinamikai és reakciókinetikai szempontból egyébként nehezen mennek végbe.

Nemcsak ammóniával működik

A kutatók a módszert nem kizárólag ammónián próbálták ki. Kísérleteikben metil-ciklohexánból is sikerült hidrogént kinyerniük. Ez az anyag az úgynevezett folyékony szerves hidrogénhordozók, angol rövidítéssel LOHC-k közé tartozik. Ezek olyan szerves vegyületek, amelyek kémiai kötésekben képesek hidrogént tárolni, majd megfelelő körülmények között ismét leadni azt. Előnyük, hogy folyékony állapotuk miatt a hagyományos folyékony üzemanyagokéhoz hasonló infrastruktúrával tárolhatók és szállíthatók. Az MIT kutatói szerint ezért az új elektrokémiai megközelítés jóval szélesebb körben is alkalmazható lehet, mint pusztán az ammónia bontására.

Járművekben és a chipgyártásban is használható lehet

A technológia egyik lehetséges alkalmazási területét a közlekedés jelentheti. Ha a hidrogént könnyebben szállítható hidrogénhordozó formájában lehetne eljuttatni a felhasználás helyére, majd ott hatékonyan felszabadítani, az megkönnyíthetné hidrogénnel működő autók, buszok vagy akár hajók energiaellátását. A nagy tisztaságú hidrogén ugyanakkor nemcsak energetikai szempontból fontos. A félvezető- és elektronikai ipar több gyártási folyamatában is használják, többek között a megfelelő felületi minőség elérésére és a gyártási hibák csökkentésére. Az, hogy az új eljárás külön tisztítás nélkül képes koncentrált hidrogénáramot előállítani, ezért ipari alkalmazások szempontjából is érdekes lehet. A kutatás egyelőre azonban nem jutott el az ipari bevezetésig. Az egyik megoldandó probléma maga a palládium, amely hatékonyan választja el a hidrogént, ugyanakkor drága nemesfém. A kutatók ezért most azon dolgoznak, hogy csökkentsék a membrán előállításához szükséges palládium mennyiségét. Emellett megkezdték az eljárás nagyobb léptékű megvalósításának vizsgálatát, és más, ipari szempontból fontos dehidrogénezési reakciókra is szeretnék kiterjeszteni a technológiát.

Kép: MIT News

Forrás: https://news.mit.edu/2026/electrochemical-approach-turns-ammonia-into-pure-hydrogen-0909