V iskanju svetega grala elektrokemije

Dr. Dušan Strmčnik je bil več let član svetovno priznane skupine raziskovalcev elektrokatalize in z njo povezanih tehnologij – od gorivnih celic do baterij – v ameriškem nacionalnem laboratoriju Argonne. Pred nekaj meseci se je vrnil v Slovenijo in kariero nadaljuje na Kemijskem inštitutu.

»Odločitev o vrnitvi je bila zelo premišljena. Če so se – govorim za svoj primer – razmere glede financiranja v ZDA poslabšale, so se v Sloveniji izboljšale. Poleg tega so v igri še drugi dejavniki: tu sem doma, prav tako je varnost v Sloveniji bistveno boljša kot v ZDA.«

O sebi pravi, da je radoveden in rad rešuje probleme. »Hkrati mi je všeč, da ima moje delo uporabno vrednost. Lepo je videti sadove svojega dela, ko preide iz bazične znanosti v komercialne produkte.«

Na Kemijskem inštitutu pod njegovim vodstvom začenjajo projekt bazičnih raziskav elektrokatalizatorjev, da bi še izboljšali njihovo učinkovitost in dodobra spoznali procese na atomski in molekularni ravni.

Pridobili ste sredstva​ ARRS za projekt Temeljno razumevanje reakcije tvorbe vodika za novo generacijo elektrokatalizatorjev na osnovi niklja v alkalni in kloralkalni elektrolizi. Za kaj gre?

Gre za bazične raziskave na področju elektrolize vode. Proučujemo nikelj kot enega glavnih katalizatorjev, ki se v industriji uporablja pri elektrolitski proizvodnji vodika. Nikelj je zelo kompleksen element, ker je pokrit z najrazličnejšimi vrstami oksidov in hidroksidov.

Čeprav je tehnologija stara že več desetletij in deluje zelo dobro ter se že uporablja tudi v komercialnih elektrolizerjih tako za vodno elektrolizo kot za pridobivanje klora in natrijevega hidroksida, torej v kloralkalni elektrolizi, se razmeroma malo razume, kaj se dogaja na atomarni ali molekularni ravni na elektrokemijskih faznih mejah. Cilj našega projekta je na osnovni kemijski ravni raziskati, zakaj ti katalizatorji delujejo oziroma ne delujejo in kako jih na podlagi teh dognanj izboljšati.

Ko stvari delujejo, nas večinoma ne zanima, kako je v drobovju naprave, vendar moramo v današnjem času, ko doživljamo energetsko problematiko in podnebne spremembe, iskati načine, kako energijo učinkoviteje izrabljati. Procese skušamo narediti še bolj učinkovite, da se bo porabilo manj energije in da bo ogljični odtis teh tehnologij manjši. Pri marsikaterem uveljavljenem industrijskem procesu – od proizvodnje jekla, cementa, amonijaka do klora in elektrolize vode – gremo zdaj korak nazaj v vnovično proučevanje, kako ga lahko izboljšamo.

Pri projektu sodeluje pisana druščina strokovnjakov, na Kemijskem inštitutu vodimo raziskavo, sodelujejo pa še kolegi z Instituta Jožef Stefan in univerz v Ljubljani, Mariboru in Novi Gorici. Upam si napovedati, da bomo lahko izboljšali procese. Imamo kar visokopotezen cilj, in sicer želimo izboljšati reakcijo za tvorbo vodika tako, da bo katalizator za red velikosti boljši od trenutno komercialno dostopnih katalizatorjev.

Pri marsikaterem uveljavljenem industrijskem procesu – od proizvodnje jekla, cementa, amonijaka do klora in elektrolize vode – gremo zdaj korak nazaj v vnovično proučevanje, kako ga lahko izboljšamo, pravi sogovornik. FOTO: Blaž Samec  

Kakšne aplikacije lahko sledijo iz vašega projekta?

Kloralkalna elektroliza potroši tri odstotke svetovne električne energije. Proces je izredno razširjen, vendar potraten, in kakršnakoli izboljšava pomeni ogromne prihranke energije in denarja. Elektroliza vode pa je eden pomembnejših procesov za vzpostavitev vodikovega gospodarstva. V našem projektu se v prvi fazi fokusiramo na razumevanje na fundamentalni ravni znanosti. Zanimajo nas osnovni procesi, ki se dogajajo na elektrokemijski fazni meji. Takšne temeljne raziskave so osnovane na monokristalih, ki imajo urejeno strukturo na atomarni ravni, vendar niso v vseh smereh enako urejeni, zato je ureditev atomov na različnih površinah takih kristalov lahko precej različna: enkrat imajo kvadratno ali pravokotno ureditev, drugič heksagonalno itd. To omogoča, da lahko izbiramo, katero raven te kristalne strukture bomo izpostavili elektrolitu, nato pa primerjamo, kako se ista reakcija odigrava na različnih površinah. Na podlagi tega lahko sklepamo, kakšna so aktivna mesta, ki so potrebna za najboljšo učinkovitost. Nikelj je zelo kompleksen v primerjavi z žlahtnimi kovinami, kot sta platina ali zlato, ker je pokrit z najrazličnejšimi oksidi in hidroksidi. Ti tudi prispevajo h katalitskim lastnostim materiala.

Ko bomo elementarne procese enkrat dodobra razvozlali, pa se bomo lotili sinteze realnih katalizatorjev in njihove uporabe v elektrolizerjih na laboratorijski ravni. Šele takrat lahko začnemo razmišljati o potencialnih aplikacijah. Za to pa bomo iskali povezave z zunanjimi industrijskimi partnerji.

Naša naloga je zahtevna, saj obstaja že ogromno literature in znanja na tem področju, ki ga moramo mi izpopolniti, vendar s tako dobrimi strokovnjaki, ki so člani našega projekta, menim, da bomo lahko prispevali k razvoju področja.

Boste nato raziskavo še razširili, denimo na uporabo drugega materiala?

Projekt je zasnovan na niklju. Ko pa se bomo naučili, kaj je gonilo te elektrokemijske aktivnosti, bomo poskušali te fazne meje ne le proučevati, ampak tudi kontrolirati in spreminjati. Tu trčimo ob sveti gral elektrokemije, to pa je, ali lahko po svoje oblikujemo stik elektroda-elektrolit in ne le vzamemo material ter ga »pomočimo« v elektrolit. Večina elektrokemije oziroma elektrokatalize temelji na poskušanju (trial and error). Mi zdaj želimo drugačno igro, in sicer izdelati najbolj preprost sistem z danim materialom, z najbolj kontrolirano površino elektrode in z najčistejšimi elektroliti z najmanj spremenljivkami. Ko bomo to dosegli, bomo začeli spreminjati fazno mejo tako, da bomo dosegli želene lastnosti materiala.

Projekt, ki ga vodi Dušan Strmčnik, je zasnovan na niklju. FOTO: Blaž Samec  

V zadnjih desetih, dvajsetih letih so analizne metode in orodja, s katerimi lahko opazujete površine in fazne meje in merite strukturo ali sestavo elektrolita, zelo napredovali in zdaj je prišel čas, da bi se omenjenega problema lahko lotili z realnimi možnostmi za uspeh. Ravno smo oddali še en projekt ARRS na temo, kako kontrolirati te fazne meje. Za zdaj je hitreje, če se poskuša, vendar smo dosegli vrh, ker so materiali tako dobri, tako da bomo izboljšave težko dosegli le s poskušanjem, stvari je treba poznati do bistva.

So ravno napredek orodij za analitiko in vse boljši materiali poglavitni vzrok, da se pri ustaljenih postopkih vračate v bazične raziskave?

Tu imamo dva nasprotujoča si trenda. Na eni strani imamo stalen pritisk industrije, politike in uporabnikov, da morajo biti izkoristki večji, materiali boljši, po drugi strani pa za marsikatero napravo – in to vključuje tako gorivne celice, elektrolizerje kot tudi litij-ionske baterije in svinčene akumulatorje – na fundamentalni ravni ni čisto jasno, kaj se dogaja. Sam zagovarjam, da bi morali že ob izumu naprav podrobno poznati stvari. Zdaj je vse to v avtomobilih, računalnikih, urah in je težko retroaktivno pridobivati tovrstno prepotrebno znanje. Trdno sem prepričan, da če ne bomo res razumeli atomske in molekularne ravni in če na tej ravni ne bomo mogli kontrolirati procesov, ne bomo dosegli tistih lastnosti, ki bi nam prinesle maksimalne izkoristke, kapacitete, energijske gostote, moči in tako naprej.

»Ko bomo imeli poceni energijo, bo pomembno samo še to, kakšen je ekološki vpliv.« FOTO: Blaž Samec  

Trenutno se ogromno dela na baterijah, išče se skokovit napredek. Zakaj ga ni?

Vprašanje je, ali ta preboj sploh obstaja pri tehnologijah, ki so že na ravni komercializacije. Pri obstoječih tehnologijah baterij in gorivnih celic se vse relevantne metrike vseskozi povečujejo, verjetno pa se ne bodo izboljšale za dvakrat ali večkrat čez noč, temveč bomo videli inkrementalne izboljšave, ki smo jim bili priča tudi v zadnjih desetletjih. Včasih se sprašujem, koliko sreče smo imeli, da te tehnologije sploh delujejo. Delovanje je namreč prepuščeno naključnemu spletu okoliščin, kjer se parametri elektrodnega materiala in elektrolita uskladijo tako, da se ustvari stabilna in aktivna elektrokemijska fazna meja. Kot sem že omenil, bi v naslednjem koraku – oziroma je to naš cilj v prihodnjih petih letih – želeli razviti elektrokemijske fazne meje, ki bodo že vnaprej imele določene lastnosti, torej ne bosta sreča ali naključje odločala, ali bo naprava delovala ali ne.

Kako v tem projektu nadgrajujte svoje pretekle raziskave?

Skupni imenovalec mojega dela so elektrokemijske fazne meje. To je meja med elektrodnim materialom in elektrolitom, kjer se zgodi reakcija. Gre za tanko plast, ki določa delovanje ne le naprav, ampak tudi naravnih procesov. Elektrokemijske fazne meje navsezadnje določajo, kako bo tekla korozija materiala, kako bo potekala fotosinteza …

Na začetku kariere sem se usmerjal bolj na področje gorivnih celic, vendar ne na tehnični ravni, ampak vseskozi na temeljni ravni razumevanja reakcij, torej na samo elektrokatalizo. Dlje časa smo bili v laboratoriju Argonne najboljša skupina na svetu. Raziskave smo potem nadgrajevali na širšem področju elektrolizerjev, sprva za elektrolizo vode, nato sem se osebno usmeril še v nevodne elektrolite, to so organski elektroliti, ki so predvsem zanimivi v litij-ionskih baterijah. Raziskoval sem na širokem področju različnih faznih mej, projekt z nikljem je le še ena fazna meja, ki je podrobneje še nisem proučeval.

Nikelj je zelo kompleksen element, ker je pokrit z najrazličnejšimi vrstami oksidov in hidroksidov. FOTO: Blaž Samec

Kemijski inštitut je poznan po močnih skupinah na področju baterij in gorivnih celic. Kako bo projekt vplival na širše delovanje inštituta?

Gre za dobro delujoči in tako doma kot v svetu dobro uveljavljeni skupini. Vendar se ukvarjata z raziskavami, ki so že nekoliko bliže aplikacijam. Sam na odseku za kemijo materialov vidim priložnost, da dopolnimo primanjkljaj na bazični ravni raziskav. Naše delo vidim kot kamenček v mozaiku, ki bo naš odsek in inštitut še okrepil v evropskem in svetovnem merilu.

Most med akademijo, zamislimi v industriji in uresničitvijo v proizvodnji

Zaposleni ste bili v ameriškem laboratoriju Argonne. Zakaj ste se odločili vrniti v Slovenijo?

To je bila zelo premišljena odločitev. Vseskozi sem ohranjal stik s skupino na Kemijskem inštitutu, kjer sem začel kariero. Odhod v tujino je bila priložnost, ki je ni bilo pametno zamuditi. V Argonnu sem se zaposlil leta 2005, nekaj mesecev za mojim šefom Nenadom M. Markovićem, ki je prišel z Berkeleyja. Bil sem del začetne skupine raziskovalcev za področje elektrokatalize v Argonnu in kmalu smo se uveljavili kot svetovno priznana skupina. Potem pa so se razmere spremenile, ker smo enostavno postali predragi. Ne mi sami raziskovalci, ampak celotna administracija. S projekti smo morali pokrivati še vse podporno osebje. Skupina je začela razpadati, Marković se je upokojil, kolegi so šli drugam, mene ponujeno vodstveno mesto ni zanimalo. Glede financiranja so se razmere v ZDA poslabšale, v Sloveniji pa izboljšale, na voljo so sredstva ARRS pa evropska sredstva itd. Naj poudarim, da govorim o svojem primeru, za druga področja je morda drugače.

Bili pa so še drugi razlogi, da sem se vrnil. Tukaj sem doma, vedno sem se rad vračal v Slovenijo. Imam družino, dva majhna otroka, in v Sloveniji je življenje neprimerljivo bolj varno kot v ZDA.

Imel sem še ponudbo iz Kalifornije, iz Irwina, vendar se zavedam, da bi bilo prilagajanje na novo okolje naporno tako zame kot za mojo družino. Raziskovalno mesto bi terjalo celega človeka, družina bi preveč trpela. Tako so bili vsi argumenti na strani Slovenije. Sem pa tu šele nekaj mesecev, ZDA ne pogrešam, bomo pa videli, kaj bo prinesla prihodnost (nasmeh).

»Tukaj sem doma, vedno sem se rad vračal v Slovenijo. Imam družino, dva majhna otroka, in v Sloveniji je življenje neprimerljivo bolj varno kot v ZDA.« FOTO: Blaž Samec

Kot ste omenili, pa je bil odhod v tujino prava odločitev.

Lagal bi, če bi rekel, da je bilo vse načrtovano. Čutil sem, da imam večji potencial, kot sem ga v tistem trenutku lahko izkoristil pri nas. Če bi se moral danes odločati, bi bila odločitev veliko težja, ker so se razmere tu precej izboljšale, tako kar zadeva opremo, financiranje, znanje in število ljudi, ki se s tem ukvarjajo. Pred leti sem bil eden redkih, ki smo se ukvarjali z elektrokatalizo v skupini, ki je pretežno delala z baterijami. Da sem pridobil znanje s tega področja, je bilo skoraj nujno oditi v tujino. Srečo sem imel, da sem bil na pravem mestu ob pravem času, da sem dobil mesto v Markovićevi skupini. Zdaj je situacija obratna.

Dotaknila sva se baterij in gorivnih celic, ki so pomembna tehnologija za shranjevanje energije. Na kateri vir energije stavite?

Gledano kratkoročno, na obnovljive vire – sončno in vetrno energijo – in jedrsko energijo, v kombinaciji z vodikovimi tehnologijami, kot so elektrolizerji in gorivne celice. Energijo morate ne le shraniti, ampak tudi transportirati, podobno kot zdaj poteka transport naftnih derivatov. Brez vodikovih tehnologij menim, da se ne bo dalo reševati globalnih problemov s segrevanjem ozračja in izpusti ogljikovega dioksida. Vodik moramo pridobivati z elektrolizo in smo spet pri elektrokemijskih faznih mejah, kako ga pridobivati najbolj učinkovito in ga nato najbolj učinkovito pretvoriti v električno energijo. Seveda tu ne smemo pozabiti tudi na pomembno vlogo litij-ionskih in drugih vrst baterij, ki jo bodo imele tako v transportnem sektorju kot tudi pri hranjenju presežne energije. Dolgoročno pa stavim na jedrsko fuzijo, znova v kombinaciji z vodikovimi tehnologijami. Ko bomo imeli poceni energijo, bo pomembno samo še to, kakšen je ekološki vpliv.