A megújuló energián alapuló világ elvileg egyszerű: összegyűjtjük a nap és szélenergiát, azt árammá alakítva közvetlenül felhasználjuk, míg a felesleg segítségével elektrolízissel a vízből hidrogén és oxigén gázt gyártunk. A hidrogén üzemanyagként is szolgálhat, de a nehézipar közvetlenül is fel tudja használni. A gond — többek között — az, hogy az elektrolízis drága: a drága nemesfém katalizátorok és/vagy a drága korrózióálló részegységek miatt. Egy új kutatás eredményei szerint viszont lehetséges olcsó fémek és részegységek segítségével olcsón is hidrogént előállítani.

A Nature Energy szaklap oldalain megjelent cikk szerint lehetséges a régi alkáli elektrolízis cellák és a protonáteresztő membrános (savas) cellák működési alapelvét kombinálni. Ennek kulcsa egy anionáteresztő membrán és az, hogy hova helyezik a víz bontását meggyorsító hagyományos fém(ek)et tartalmazó katalizátort.

A víz bontása nem új technológia, már 200 évvel ezelőtt is tudták, hogy áram és két elektróda segítségével a vizet hidrogénre és oxigénre lehet bontani. Mivel az így keletkező gázok robbanó elegyet alkotnak, a modern elektrolízis készülékekben az anódot és katódot egy porózus réteg (diafragma) választja el egymástól. A víz bontását megfelelő katalizátorok segítségével és a kémhatás megváltoztatásával fel lehet gyorsítani.

Az egyik megoldás szerint, ha a vízhez nagy mennyiségű kálium hidroxidot adunk, aminek következtében a víz lúgos kémhatású lesz, viszonylag olcsó, vas vagy nikkel alapú katalizátorokat lehet használni. A katódon (negatív elektróda) a víz H+ és OH– ionokká bomlik. A H+ ionok a katódtól elektront vesznek át, és hidrogén atomokká, majd két hidrogén atomonként hidrogén molekulákká alakulnak át, ami gáz formában felszabadul. Az OH– ionok a porózus rétegen keresztül vándorolva a pozitív elektródán (anód) leadják a töltésüket, majd egy viszonylag bonyolult reakció során oxigén atomokká alakulnak, amik aztán egy oxigén molekulákká kombinálódnak, amik gáz formájában felszabadulnak a vízből.

A lúgos megoldás előnye az elektródák olcsósága, hiszen vas vagy nikkel alapúak. A gond a KOH oldatos megoldással viszont az, hogy az oldat erősen korrozív, s emiatt az egész szerkezet rendszerint titán vagy hasonlóan drága és korrózióálló anyagból kell, hogy készüljön.

A költségek csökkentésének érdekében az 1960-as években kifejlesztették a proton-áteresztő membránokat, amelyek csak protonokat (H+ ionokat) eresztenek át. Az ilyen típusú elektrolízis cellákban az anód oldali, rendszerint iridium alapú katalizátor bontja a vízmolekulákat H+ és OH– ionokra, amelyek közül az OH– ionok rögtön reagálnak a katalizátor felületén oxigén gázt termelve. A H+ ionok átvándorolnak a membránon, és a katód oldalán a platina katalizátor felületén hidrogén gázzá alakulnak át. Mivel a OH– ionok nem változtatnak helyet (és rögtön oxigénné alakulnak), az elektrolízis cella nem lesz lúgos.

Az ilyen típusú cellák átlagosan ötször gyorsabban tudnak hidrogént termelni, mint a lúgos változatok. De a sebességnek ára van: a proton-áteresztő cella azt is jelenti, hogy a rendszer vizet tartalmazó anód oldala valamennyire savas lesz, vagyis nem teljesen korrózió mentes, és a katalizátorhoz platina és iridium kell, ami jelentősen megdrágítja a cellák árát. A rendelkezésre álló nemesfémek mennyisége is erősen korlátozott: például az éves iridium termelés csak 7 tonnát tesz ki. Ez azt jelenti, hogy az ipari méretű termeléshez szükséges proton-áteresztő membrános rendszerek megépítéséhez jelenleg egyszerűen nem áll elég nyersanyag rendelkezésre.

A fenti Nature Energy cikk szerzői a proton-áteresztő membrános rendszert alakították át egy anion áteresztő membrán segítségével, de a proton-áteresztő membrános rendszer szerkezeti előnyeit megtartva. Így a magas hidroxilion koncentráció (az erősen lúgos környezet) jórészt a membránon belül marad, ami lecsökkenti a korróziós veszélyeket. Emellett nem kell nemesfém alapú katalizátorokat használni sem a membrán anód, sem a membrán katód oldalán, ezzel is tovább csökkentve a költségeket.

A mostani eredmények szerint, nikkel-, vas- vagy mangán-alapú katalizátorok mellett, ez elektrolízis cella nagyjából háromszor olyan gyorsan bontja a vizet, mint a hagyományos lúgos cellák.

A rendszer azonban még nem elég tartós: a kezdeti eredmények szerint nagyjából 10 óra után elkezdi elveszíteni a hatékonyságát. Ennek fő oka az, hogy a nikkel-vas katalizátor részecskék kimosódnak az anion-áteresztő membrán felületéről. A membrán anyagát alkotó polimer megváltoztatásával ez a hatás csökkenthető volt, aminek következtében a cella tartóssága jelentősen növekedett.

Az ipari alkalmazás még messze van, de ha sikerül megoldani a tartósság kérdését, akkor nagy valószínűséggel ez az új technológia komoly szerepet játszik majd a hidrogén alapú energiatárolás elterjedésében.