Ugljik (opravdano) ima lošu reputaciju zbog svoje uloge u klimatskim promjenama. Zasigurno ste čuli da moramo smanjiti emisije ugljika odnosno naš ugljični otisak.

To je svakako istina, ali tu se obično radi o ugljiku koji se ispušta u atmosferu kao ugljični dioksid, metan i čađa.

Treba obratiti pažnju i na ostale karbonske materijale, koji će biti ključni za naš prijelaz s izgaranja fosilnih goriva.

Bez ugljika, litij-ionske baterije mogu se zapaliti

Litij-ionske baterije temelj su tehnologije za dekarbonizaciju. One će pokretati naše električne automobile i pomoći ublažiti fluktuacije obnovljive energije u elektroenergetskoj mreži.

Međutim, metalni litij burno reagira sa zrakom i vodom, što je dovelo do zapaljivanja prvih litij-kobaltnih baterija.

Japanski kemičar Akira Yoshino riješio je ovaj problem osamdesetih godina prošlog stoljeća dodavanjem ugljika u litij-kobalt bateriju. Točnije, profesor Yoshino dodao je grafit, oblik kristalnog ugljika. Grafit upija metalni litij, tvoreći stabilan spoj gdje se, na svakih šest atoma ugljika, pohranjuje jedan atom litija u uređenim nizovima između slojeva grafita.

„Litirani grafit“ također mijenja boju iz dosadne crne u prekrasnu zlatnu. Ako je baterija izložena zraku, kisik i voda ne mogu tako lako doći do litija, što je čini dovoljno sigurnom za spremanje u džep.

Profesor Yoshino bio je jedan od dobitnika Nobelove nagradu za kemiju 2019. godine za razvoj litij-ionskih baterija kakve poznajemo danas.

Te su baterije tek u posljednjih deset godina počele dekarbonizirati naše živote putem električnih automobila i u našim električnim mrežama.

I dok se čini da će litij-ionske baterije preuzeti svijet, još uvijek postoje neki problemi koji bi mogli dovesti do „uskog grla“ u proizvodnji.

Većina grafita koji se koristi u litij-ionskim baterijama iskopava se iz ruda i nije dovoljno čist da bi se izravno koristio u baterijama. Zahtijeva pranje u kiselini kako bi se uklonili zagađujući metali, što dovodi do toka otpada koji je štetan za okoliš.

Kako bi stvorili alternativu, istraživači u Carbon Group s australskog Sveučilišta Curtin radili su na proizvodnji grafita za baterije iz, primjerice, građevinskog otpada.

„Možemo pretvoriti polivinil klorid, uobičajeni otpadni materijal koji se koristi u plastičnim cjevovodima, u visokokvalitetni grafit“, rekao je Jason Fogg, doktorand koji proučava znanost o ugljikovim materijalima.

Ipak, ovaj grafit dobiven iz otpada je energetski skuplji u usporedbi s grafitom iz rudnika. „Potrebne visoke temperature trenutni su izazov“, kaže g. Fogg. „Morate zagrijati plastičnu cijev na gotovo 3000°C, što je polovica površinske temperature Sunca, prije nego što se pretvori u grafit.“

Irene Suarez-Martinez, suvoditeljica Carbon Groupa, okrenula se superračunalima kako bi pronašla načine za snižavanje te temperature i pojeftinila grafit dobiven iz otpada.

Kako ugljik pomaže zelenom vodiku?

Države ulažu milijarde u „zeleni vodik“, tj. vodikov plin proizveden obnovljivom energijom koji se može koristiti za skladištenje energije.

Ali na Zemlji postoje nevjerojatno male količine prirodnog vodika – zato što se vodik obično veže s kisikom u vodu.

Za proizvodnju zelenog vodika, električna energija iz obnovljivih izvora razdvaja molekulu vode na vodik i kisik u uređaju koji se zove elektrolizer. Uređaj s gorivnim ćelijama potom može rekombinirati vodikov plin i kisik, dajući električnu energiju na zahtjev, recimo, električnom automobilu s vodikovim gorivnim ćelijama.

Jedan od glavnih izazova koji usporava vodik kao izvor energije je cijena metala platine potrebnog u gorivim ćelijama i elektrolizerima za odvijanje reakcija. Međutim, zbog nedostatka platine u Zemljinoj kori, ona je iznimno skupa i čini oko 77 posto cijene gorivne ćelije, prema procjeni Nacionalnog laboratorija za obnovljivu energiju (NREL) u SAD-u.

Yuan Chen sa Sveučilišta u Sydneyu stručnjak je za korištenje karbonskih materijala za smanjenje troškova vodikovih gorivih ćelija. „Mi zamjenjujemo platinu katalizatorima s jednim atomom, gdje su atomi željeza, nikla i kobalta ugrađeni u ugljik“, objasnio je.

U tijeku je daljnji rad na poboljšanju stabilnosti ovih platinskih zamjena, ali do sada su dostigli prekretnicu da imaju sličnu učinkovitost kao i skuplji platinasti katalizator.

Ugljik može poboljšati solarnu učinkovitost

Timothy Schmidt vodi tim na Sveučilištu New South Wales za poboljšanje učinkovitosti solarnih ćelija pomoću premaza na bazi ugljika.

„Najbolje silicijske solarne ćelije imaju maksimalnu učinkovitost od 26 posto i inženjeri se mogu boriti kako bi ih učinili učinkovitijima, ali uvijek nailaze na otpor na određenoj razini“, rekao je.

Razlog zašto silicijske solarne ćelije nisu učinkovitije je taj što mogu transformirati samo određene boje svjetlosti u električnu energiju. Crvena svjetlost se najučinkovitije pretvara, no kako svjetlost postaje plava, proizvodi više topline.

Tim profesora Schmidta radi na premazu koji će staviti na vrh silicijske solarne ćelije kako bi se plavo pretvorilo u crveno svjetlo koje silicij može učinkovito apsorbirati. Ovo ima znanstveni naziv „singlet-fisijska solarna ćelija“.

Ako premaz na bazi ugljika može povećati količinu energije koju proizvodi solarna ćelija, mogao bi poboljšati učinkovitost panela do 35 posto u narednih pet do deset godina.

Iako povećanje s 26 na 35 posto ne zvuči kao puno, čini veliku razliku kada je u pitanju vrijeme povrata solarne energije. Na primjer, povećanje učinkovitosti solarne ćelije s 12 posto na 14 posto prepolovilo je vrijeme povrata za solarni sustav s četiri na dvije godine, prema istraživačima sa Sveučilišta Utrecht u Nizozemskoj (iako solarna učinkovitost nije jedini faktor koji utječe na vrijeme povrata).

Ovo je tek nekolicina brojnih projekata u Australiji i inozemstvu koji koriste ugljične materijale za izgradnju i usavršavanje tehnologije zelene energije. Dakle, unatoč lošem glasu, ugljik nam može pomoći da postignemo naše klimatske ciljeve.