Zelené baterie budoucnosti: Mohou se bez problému vyrábět třeba ze špenátu

Jelikož se lidstvo snaží vymyslet napájení zařízení budoucnosti udržitelným a ekonomickým způsobem, upírá síly také na vývoj účinnějších a čistších baterií. Slibné jsou zejména technologie baterií s palivovými články a baterie založené na reakci kovu a vzduchu. Ačkoli oba směry nadále pracují se systémem elektrolýzy na bázi anoda-katoda-elektrolyt, tedy s principem současných baterií, pokračuje závod v hledání udržitelnějších materiálů, které by mohly nahradit ty současné. Nová studie zveřejněná v časopise ACS Omega od autorů z American Chemical Society navrhuje jako jedno z řešení špenát.

Elektrony cestují uvnitř baterie z jedné elektrody nazývané anoda přes elektrolyt baterie (buď práškovou, nebo kapalnou bariéru) k další elektrodě nazývané katoda. Anoda uvolňuje tyto elektrony chemickým procesem nazývaným oxidace, zatímco katoda je přijímá prostřednictvím jiné, redukční reakce kyslíku. Zpáteční cesta elektronů zpět na anodu však vyžaduje zátěž poskytovanou externím zařízením. To je ale v pořádku, protože toto zařízení, například baterka, telefon nebo auto, pracuje na energii produkované cestujícími elektrony baterie.

Platina je drahá a při tomto použití náchylná k otravování povrchu různými chemikáliemi.

Elektrony tedy cestují z kladného vývodu katody do zařízení a poté se vracejí do záporného anodového vývodu baterie. Tímto způsobem energie putuje dokola a kolem obvodu baterií poháněného zařízení. Při nabíjení baterie jdou elektrony připojené k nabíječce v opačném směru.

Platina to nevytrhne

Nová studie se zabývá katalyzátorem, který zprostředkovává reakci redukce kyslíku na katodě. Baterie na principu palivových článků a baterie typu kov-vzduch používají jako katodu okolní vzduch mimo baterii. Je to ekologické, zadarmo, dostupné a hlavně fungující řešení, pokud existuje katalyzátor, který dokáže adekvátně vyvolat požadovanou reakci redukce kyslíku.

Jednoduchý návod, jak si ze špenátu vyrobit baterii (zdroj: ACS Omega)

Nejčastěji používané katalyzátory pro tyto baterie byly založeny na platině. Jsou s nimi však problémy. Platina je drahá a při tomto použití náchylná k otravování povrchu různými chemikáliemi. Je tedy třeba vyvíjet katalyzátory na bázi jiných kovů. Vědci proto zkoumají netoxické alternativy katalyzátorů na bázi uhlíku, jelikož mohou být stabilnější a vykazovat odolnost vůči povrchové otravě. Uhlík je navíc levný a dostupný. Některé zkoumané materiály však nedělají svou práci stejně dobře jako katalyzátory na bázi platiny. Chemická reakce, kterou produkují, je pomalá.

Vraž do toho špenát

Šou-čung Cou z katedry chemie na American University, hlavní autor studie, uvádí: „Metoda, kterou jsme testovali, může produkovat vysoce aktivní katalyzátory na bázi uhlíku ze špenátu, který je obnovitelnou biomasou. Věříme, že překoná komerční platinové katalyzátory v aktivitě i stabilitě. Tyto katalyzátory jsou potenciálně použitelné ve vodíkových palivových článcích a bateriích na bázi kov-vzduch.“ Špenát je bohatý na železo a dusík, tedy základní složky katalyzátoru. Studenti Šou-čung Coua vyvinuli uhlíkové nanosety na bázi špenátu tisíckrát tenčí než lidský vlas.

Měření vyrobeného nanočlánku pak naznačila, že špenát může překonat platinu jako katalyzátor v rychlosti i stabilitě.

Vědci špenát nejprve omyli, odšťavnili a lyofilizovali (tedy usušili mražením) a poté ho v třecí misce ručně rozdrobili na jemný prášek. Dále byl špenátový prášek rozpuštěn a ve vodě smíchán s melaminem, chloridem sodným a chloridem draselným a vařen při 120 stupních. Tato směs byla poté rychle ochlazena v kapalném dusíku a opět lyofilizována. Pak prošla dvakrát pyrolýzou, tedy termickým rozkladem za nepřístupu médií obsahujících kyslík. Měření vyrobeného nanočlánku naznačila, že špenát může překonat platinu jako katalyzátor v rychlosti i stabilitě. Dalším krokem pro Coua a jeho studenty je vyzkoušení jejich špenátového katalyzátoru v prototypových palivových článcích, aby bylo možné posoudit jeho výkon v akci. Vědci aktuálně zkoumají využití také jiných rostlinných materiálů, jež by mohly sloužit jako bateriové katalyzátory.