- A kutatási program missziója
A négyéves projekt fókuszában a megújuló energiák kémiai kötésekben történő tárolása (molekuláris akkumulátorok koncepciója), valamint a kapcsolódó környezetvédelmi kihívások egyidejű kezelése állt. A hagyományos ipari ammóniaszintézis és az ahhoz szükséges hidrogén-előállítás jelenleg rendkívül karbonintenzív folyamat, amely önmagában a globális szén-dioxid-kibocsátás megközelítőleg 1,4-1,5%-áért felelős. Ebből logikusan következik, hogy a dekarbonizált zöldhidrogén-termelés (elektrokémiai vízbontás), valamint az ezen alapuló, a vizek nitrátszennyezését is felszámoló elektrokémiai ammóniaszintézis révén radikálisan csökkenthető a technológia CO2-lábnyoma.
A kutatás során a fő célunk az volt, hogy a megújuló áramforrásokra építve olyan technológiai és analitikai hátteret teremtsünk, amely lehetővé teszi e zöld energiahordozók, kiemelten a tiszta hidrogén (H2), valamint az azt kiváló energiasűrűséggel tároló vektor, az ammónia (NH3) – hatékony, ipari léptékben is adaptálható előállítását. Missziónk nem csupán új, költséghatékony átmenetifém-alapú elektrokatalizátorok fejlesztésére terjedt ki a vízbontás (HER, OER) és a nitrátredukció (NO3RR) területén, hanem a szakirodalomban leírt reakciómechanizmusok anomáliáinak tisztázására, az illékony termékek valós idejű analitikai nyomon követésére, valamint az ipari skálázhatóságot megalapozó folyamatos üzemű áramlásos reaktorok (flow-cell) megépítésére is. Ezzel a komplex megközelítéssel a projekt hidat képez az alap- és alkalmazott kutatások között, elősegítve a zöld átállás és a kibocsátásmentes hidrogén- és ammóniagazdaság hazai technológiai megalapozását.
- A kutatás legfontosabb eredményei
Költséghatékony elektrokatalizátorok
A drága nemesfémek kiváltása érdekében rézalapú és más nem-nemesfém (pl. volfrámmal dópolt CoOOH, MOF-származékok, NiSe2/Cu-NW, ZnO/Fe3O4) elektrokatalizátorokat állítottunk elő és optimalizáltunk. Ezek a költséghatékony anyagok aktívnak bizonyultak vagy a szennyező nitrátionok ammóniává történő szelektív alakításában (NO3RR), vagy pedig a zöldhidrogén-termelést célzó teljes elektrokémiai vízbontásban (HER, OER). A katalizátorfejlesztés részeként egy gáztömör mérőrendszerben célzottan vizsgáltunk nitrogénszelektív (N2-képző) NO3RR katalizátorokat is. Ennek során a szakirodalomban korábban magas szelektivitást ígérő, reprodukálhatónak leírt modellrendszereket teszteltünk, azonban a publikált eredmények legtöbbször nem reprodukálhatók. A vizsgált anyagok esetében a reakció nem állt meg nitrogénnél, a katalizátorok túlnyomórészt ammóniát termeltek. Tapasztalataink így rávilágítanak a korábban közölt adatok anomáliáira, valamint az N–N kapcsolás kinetikai gátjának tényleges, sokak által alulbecsült nagyságára.
A mechanisztikus alapkutatásokhoz kapcsolódóan kiépítettünk egy dedikált mágneses elektrokatalitikus mérési infrastruktúrát. Ez az elrendezés lehetővé tette a különböző elektrokatalitikus folyamatok szisztematikus vizsgálatát erős külső mágneses térben a vízbontási részfolyamatok (HER, OER) és a nitrátredukció (NO3RR) esetében is. A rendszerrel közvetlenül tanulmányozhatóvá vált a mágneses tér által kiváltott magnetohidrodinamikai konvekció (MHD), a felületi tömegtranszport javulása, valamint a reakciókinetikára gyakorolt hatás.
Komplex és komplementer mérési platform
Az elektrokatalitikus folyamatok és az elektrolízis során változó reaktáns-összetétel nyomon követésére egy teljesen új, komplementer analitikai platformot építettünk ki. A rendszer a gázfázisú termékek folyamatos mennyiségi meghatározására online gázkromatográfiát (GC) használ, míg a folyadékfázis összetételének valós idejű követését in-situ többcsatornás ionszelektív elektródok (ISE), valamint ionkromatográfia (IC) integrálásával oldottuk meg. Mivel a keletkező ammónia egy része az illékonysága miatt elszökhet a folyadékfázisból, a veszteségek kvantifikálására az SZTE Fotoakusztikus Kutatócsoportjával közösen egy sub-ppm érzékenységű fotoakusztikus detektálási eljárást alkalmaztunk. Az így meghatározott analitikai korrekciós faktorok beépíthetők az anyagmérleg-számításokba, amivel így kiküszöbölhető az ammóniavesztésből származó szisztematikus hiba.
Reaktorfejlesztés és mágneses elektrokatalízis
A mechanisztikus alapkutatások után a technológia méretnövelése céljából megoldottuk a külső mágneses tér integrálását a folyamatos üzemű áramlásos rendszerekbe is. Ehhez megépítettünk egy lúgos közegekre optimalizált, folyamatos betáplálású, polielektrolit membrános áramlásos elektrolizáló cellát. A reaktorcellát úgy alakítottuk ki, hogy a cellatest mindkét oldalába közvetlenül beépíthetők legyenek erős permanens mágnesek. A geometriai méretek optimalizálásával és a távolságok minimalizálásával sikerült a mágneses fluxusveszteséget a minimálisra szorítani. A mágneses tér felületi transzportnövelő hatását ZnO/Fe3O4 anódokon, nagy áramsűrűségű modellreakcióban kísérletileg is igazoltuk, lefektetve ezzel a folyamatos üzemű mágneses elektrokémiai rendszerek reaktortervezési alapelveit.
A Nanoscale (Q1) folyóirat címlapján bemutatott kutatásunk, amiben a mechanokémiailag előállított bór-szén-nitrid magon autokatalitikus fémleválasztással létrehozott egyenletes réz héjszerkezet a felületén a szennyező nitrátionokat elektrokémiai redukció során környezetbarát zöldammóniává (NO3RR) alakítja. (Nanoscale 2025 17 23948)
Az ACS Omega (Q1) folyóirat címlapján megjelent kutatásunk, ahol a nikkelhab hordozóra felvitt kétfémes nikkel-kobalt fémorganikus vázszerkezet (Ni/Co-MOF), valamint a közvetlenül a felületén végbemenő, zöldhidrogén- és oxigénfejlődéssel járó teljes elektrokémiai vízbontási folyamat látható. (ACS Omega 2026 11 52399)
A tervezett hibahelyszerkezetű brownmillerit-típusú oxidok (A2B2O5) bifunkciós katalizátorok az oxigén elektrokémiájában. A rendezett oxigénvakancia-csatornákat tartalmazó kiindulási rácsszerkezet a B-kationok tudatos megválasztásával és az operando felületi átalakulással mind a vízbontás anódos oxigénfejlődési (OER), mind a tüzelőanyag-cellák katódos oxigénredukciós (ORR) reakcióját katalizálja. (Chemistry of Materials 2026 DOI: 10.1021/acs.chemmater.6c01649)
A mágneses tér által indukált alapvető fizikai-kémiai mechanizmusok az elektrokatalízisben. A külső mágneses tér egyrészt a Lorentz-erő révén magnetohidrodinamikai (MHD) konvekciót keltve gyorsítja a határfelületi tömegtranszportot és a gázbuborékok leválását (a), másrészt a Kelvin-erővel elősegíti a paramágneses részecskék vándorlását (b), miközben a mágneses hipertermia lokális felületi melegedést okoz (c), az elektronspin-polarizáció pedig alacsonyabb aktiválási gátú reakcióutakat nyit meg az aktív centrumokon (d). (ACS Applied Energy Materials)
A ZnO/Fe3O4 heteroszerkezet határfelületi töltésátadása révén felületi FeOOH fázis jön létre, miközben a külső mágneses tér keltette magnetohidrodinamikai mikroörvények és a Kelvin-erő felgyorsítják az aktív helyeket blokkoló oxigénbuborékok leválását az elektródfelületről. Ez a szinergia 37%-os áramsűrűség-növekedést biztosít az áramlásos elektrolizáló cellában, lehetővé téve az időszakos megújuló energia zöldhidrogén formájában történő hatékonyabb tárolásához.