A világ energiaéhsége tavaly 2,1 százalékkal nőtt, ami több mint kétszerese volt az előző évi növekedésnek. A Nemzetközi Energia Ügynökség (IEA) jelentése az energiaigények felpörgését a világgazdaság fellendülésével magyarázza. Ha ez a trend tovább folytatódik, nehezen tartható a korábbi, a bővülés ütemének csökkenésére alapozott becslés, mely szerint az energiakereslet gyorsulása 2040-ig a maihoz képest csupán mintegy 30 százalékkal nő. Az adatok szerint tavaly a növekvő szükséglet több mint 70 százalékát fosszilis energiahordozókból elégítették ki, a fennmaradó közel 30 százalék megújuló energiaforrásokból származott. Az Ügynökség klímaváltozás következményeivel számoló Fenntartható Fejlődési Forgatókönyve szerint 2040-re a megújuló energiaforrások súlya a globális termelésben 25 százalékról 63 százalékra növekszik, miközben ezzel együtt tovább nő a széndioxid-kibocsátás.
Ilyen körülmények között nem véletlen, hogy az emberiség egyik legnagyobb és legidőszerűbb kihívásává vált a hatékony és környezetkímélő energiahordozók fejlesztése. A fosszilis energiahordozók egyik, ritkábban szóba kerülő fenntartható alternatívája a környezetben, konkrétan a vízben hatalmas tömegben rendelkezésre álló hidrogén. A kutatók mintegy kétszáz éve törik a fejüket, hogyan lehetne a hidrogént az energiatermelés szolgálatába állítani. A hidrogént környezetbarát módon a 19. század óta ismert eljárással, a vízbontással állíthatjuk elő. A természet azonban nem engedi olyan könnyen kinyerni a hidrogént a vízből, ehhez jelentős energiára van szükség, ami persze gazdaságtalanná teszi ezt a reakciót. Ilyen esetekben jöhetnek jól a kémiai folyamatokat segítő katalizátorok, amelyek jelentősen csökkenthetik az ilyenkor befektetni szükséges energiát.
A víz elektrokémiai bontását mindmáig legjobban platinával lehet katalizálni, ami természetesen szintén túl drága az ipari léptékű alkalmazáshoz. A költségek lefaragására a kutatók egyrészt más anyagokat próbálnak felhajtani a platina helyettesítésére, másrészt csökkenteni igyekeznek a katalizátorszemcsék méretét, így a felhasznált anyag, adott esetben platina mennyiségét. Mivel a katalizátorszemcséknek csak a felületük vesz részt a reakcióban, ezért a méret apasztásával az anyag passzív térfogata az aktív felület javára akár nagyságrendekkel is csökkenthető.
Az MTA Energiatudományi Kutatóközpontban Tapasztó Levente vezetésével működő kutatócsoport most ezen a területen ért el áttörést, méghozzá úgy, hogy a két megközelítést ötvözte. Platina helyett egy olyan vegyületet használt, mely egy teljesen új tudományterület, a kétdimenziós anyagok kutatásának egyik slágeranyaga.
A kétdimenziós jelző egy vagy néhány atomnyi rétegből álló anyagot jelent, ez esetben molibdén diszulfid kristályt. Az egyatomos rétegű anyagok karrierje 2004-ben a grafén felfedezésével indult, ám a jövő anyagának nevezett kétdimenziós szén után egyre több ilyen vegyületet fedeztek fel és kezdtek tanulmányozni, közülük is talán a legígéretesebb a kétdimenziós molibdén diszulfid.
A kutatók régóta vizsgálják annak lehetőségét, hogyan lehetne a molibdén diszulfidot platina-helyettesítőként felhasználni a vízbontásban, de sajnos mostanáig messze nem sikerült olyan hatékonyságú katalizátort gyártani belőle, mint amilyet a drága nemesfém produkál. A magyarázat egyszerű, a molibdén-diszulfid kristálynak nem a teljes felülete, csak az élei aktívak. Az MTA EK kutatói most azonban atomi szinten voltak képesek módosítani az háromatomnyi vékony molibdén diszulfid kristályok felületét, ezáltal jelentősen megnövelve katalitikus aktivitásukat.
Ehhez egy először általuk megfigyelt kémiai reakciót használtak fel. Tapasztó Levente és csoportja tulajdonképpen oxidálta a molibdén diszulfidot, ám roppant trükkös módon. A vegyület korábban ismert oxidációja során teljes egészében molibdén-trioxiddá (MoO3) és kén-dioxiddá (SO2) alakul. A kutatók pásztázó alagútmikroszkóp segítségével minden korábbinál nagyobb felbontásban tudták megfigyelni a molibdén diszulfid kristály atomi szerkezetét. Így fedeztek fel egy rendkívül lassan végbemenő oxidációs folyamatot, amely során a levegő oxigénje egyenként cserélte le a molibdén diszulfid kristály kénatomjait, egy új molibdén-oxi-szufid kristályt létrehozva. Kiderült, hogy a szerkezetbe így beépített egyedi oxigénatomok katalitikus centrumokká válva jelentősen megnövelik a teljes kristály katalitikus aktivitását, ezáltal sokkal kisebb energiabefektetés kell vízbontásnál a hidrogénfejlődéshez. Még egy érdekesség vált világossá: ez a reakció spontán módon is végbemegy, ha az anyagot hónapokra levegőn hagyjuk. Oxigén atomoknál olcsóbb katalizátort pedig nehezen lehet elképzelni. Természetesen az egyedülálló oxigénatomok nem képesek katalizálni a vízbontást, de egy kétdimenziós kristály szerkezetébe beépülve, már nagyon is hatékony és olcsó katalizátorok lehetnek.
A magyar kutatók eredményeit, a világ egyik vezető tudományos folyóirata, a Nature Chemistry közölte. A kutatást elsősorban magyar (Lendület), európai uniós (ERC, Graphene Flagship) és koreai (Koreai-Magyar közös Nanolabor) források tették lehetővé, amely arra is kiváló példa, hogy az új anyagokra irányuló alapkutatások hogyan hasznosulhatnak új alkalmazásokban. Persze ahhoz, hogy kiderülhessen, a magyar kutatók által létrehozott új, kétdimenziós molibdén oxi-szulfid katalizátor valóban hasznosítható-e az iparban, még meg kell vizsgálni az új katalizátor hosszú távú stabilitását, illetve azt, hogy integrálható-e a meglévő ipari eljárásokba. A kétdimenziós anyagokba épített egyedi atomok hidrogénfejlesztést katalizáló hatásának alapelve azonban alkalmazott kutatások egész sorát indíthatja el, melyek jelentős előrelépést hozhatnak a hidrogén fenntartható energiahordozóként való megjelenésében életünkben.
(Borítókép: Hidrogénbuborékok megjelenése a molibdén diszulfid katalizátor felületén . Fotó: Tapasztó Levente / MTA Energiatudományi Kutatóközpont)