Lendületesek: Vesztergom Soma
Az elektrolízis során végbemenő hidrogénfejlődés az elektrokémia egyik legrégebben tanulmányozott folyamata. Ennek ellenére nagyon kevéssé értjük az eközben az elektródok felületén végbemenő kémhatásváltozás dinamikáját. Vesztergom Soma, az Eötvös Loránd Tudományegyetem Fizikai Kémiai Tanszékének adjunktusa és az általa vezetett MTA–ELTE Lendület Határfelületi Elektrokémia Kutatócsoport ezt a jelenséget kutatja, az eredményeiknek pedig közvetlen ipari hasznuk lehet.
Ha vízbe vagy oldott ionokat tartalmazó oldatba két fémet merítünk, majd kellően nagy elektromos feszültséget kapcsolunk közéjük, akkor elektrolízis jön létre, amit gyakran az elektródok környezetében kezdődő pezsgés, vagyis gázképződés jelez. Az elektrolitikus vízbontás gyakori bemutatókísérlet a középiskolai kémiaórákon, amellyel demonstrálható, hogy elektromos áram segítségével kémiai változást lehet indítani az anyagban.
Vesztergom Soma Forrás: youtube.com/@ELTEfilm
„Valóban, az elektromos vízbontás egy alapkutatási szempontból igen fontos és nagyon izgalmas kémiai reakció, amelynek ugyanakkor fontos gyakorlati szerepe is lehet, akár az energiagazdaságban is. Ha vizet bontunk árammal, akkor az eközben fejlődő hidrogént tárolhatjuk, akár el is szállíthatjuk, és később újra energiát nyerhetünk belőle – mondja Vesztergom Soma, az MTA–ELTE Lendület Határfelületi Elektrokémia Kutatócsoport vezetője. – Az ilyen energiatároló pufferek szerepe pedig egyre inkább felértékelődik, ahogy fokozatosan átállunk a megújuló energiaforrások használatára, amelyek jellemzően nem állnak rendelkezésre éppen akkor, amikor felhasználásukra a legnagyobb igény mutatkozna.
A megújuló forrásokon alapuló energiagazdálkodásban tehát az elektrolízisen alapuló átmeneti energiatárolásnak bizonyosan nagy szerep jut majd.”
A víz elektrolízise ugyanakkor egy éppen 222 éve ismert kémiai eljárás. Felmerülhet tehát a kérdés, hogy több mint két évszázaddal a felfedezése után miért kell kutatócsoportot alapítani a tanulmányozására. Vesztergom Soma szerint való igaz, hogy az elektrolízisről már sokat tudunk, a víz bontása során lezajló hidrogénfejlődés pedig gyakorlatilag az elektrokémia állatorvosi lovának tekinthető, amelynek a legtöbb fontos elektrokémiai elméleti felfedezéshez köze volt. Ugyanakkor van az elektrokémiai vízbontás témájának egy fontos szegmense, amelyet a problémával foglalkozó kutatók eddig még nem tártak fel kellő mélységben. Ez a probléma azzal kapcsolatos, hogy az elektrolízis közben az anódon és a katódon bekövetkező reakciók óhatatlanul megváltoztatják az elektródkörnyéki kémhatást. A pH megváltozása, ami először az elektródfelületek közvetlen környezetében érvényesül, fokozatosan kiterjed az oldat távolabbi részeire is. A kiterjedés dinamikája pedig (Kevert vagy nyugvó oldatról van-e szó? Mennyiben okozza maga a gázfejlődés, vagyis a pezsgés az oldat keveredését?) meghatározó jelentőséggel bír az egész folyamatra.
„Az elektrokémiai folyamatok közben bekövetkező kémhatásváltozásokat bonyolult matematikai egyenletek írják le, és kutatócsoportunk e matematikai problémák megoldásával és kísérletes ellenőrzésével foglalkozik. A célunk az, hogy a lehető legjobban megértsük, az elektródkörnyéki kémhatásváltozások milyen hatással vannak az elektrolízis további folyamatára – folytatja a kutatócsoport-vezető. – A számításaink gyakran igen bonyolultak, és nem mindig vezetnek olyan szép egyenletekhez, mint amilyeneket a fizikaórán megszokhattunk: számítógépek alkalmazásával ugyanakkor az egyenletek megoldhatók, és jóslataik kísérleti megfigyelésekkel is összevethetők.
A munkánk célja, hogy jó prediktív erővel bíró modelleket alkossunk, amelyek képesek megjósolni előbb laboratóriumi kísérletek, majd akár ipari folyamatok eredményeit is.”
Bár a vízbontás reakciói erre talán a legmegfelelőbb példák, az elektródfolyamatok egy igen nagy csoportjára jellemző az, hogy végbemenetelük során az elektródfelület környékének kémhatása megváltozhat. Egy jellemző példa a szén-dioxid elektrokémiai redukciója kis szerves molekulákká: a folyamat a katódon nemcsak elektronok, hanem hidrogénionok felvételét is igényli. De az elektródfelületek környékének pH-változása (ez a katód környékén jellemzően lúgosodás, az anód környékén pedig savasodás) bekövetkezhet olyan reakciók közben is, amelyek maguk se nem fogyasztanak, se nem termelnek hidrogénionokat. Ilyenek például a különböző elektrokémiai fémleválasztási folyamatok, amelyeket – az alkalmazott ipari körülmények között – gyakran kísérnek parazita reakciók, akár vízbontás is.
„A félvezető-alapú elektronikában való felhasználhatósága miatt egyre nagyobb figyelem irányul például a kobalt elektrokémiai leválasztására – mondja Vesztergom Soma. – A kobalt elektrokémiai leválasztását szinte minden esetben kíséri hidrogénfejlődés és katódkörnyéki lúgosodás is. Ez számos problémát okozhat, köztük a leválasztó fürdő csapadékosodását és a bevonat tönkremenetelét is. Ugyanakkor a felületközeli kémhatásváltozásnak előnyei is lehetnek, hiszen (megfelelő adalékanyagok fürdőhöz adásával) a jelenséget akár előnyünkre is fordíthatjuk, és segítségével elérhetjük például bonyolult mikrostruktúrák, árkok egyenletes betemetését is, amely a modern chip- és processzorgyártásban igen fontos.”
„Remélem, hogy munkánk
a gyakorlati haszonnal rendelkező technológiák tudásalapú fejlesztéséhez is hozzájárul, ugyanakkor az alapkutatási szempontot is nagyon lényegesnek látom.
– mondja a Lendület-kutatócsoport vezetője. – A legjobban annak örülnék, ha munkánk eredményei segítenék átformálni az elektrokémikus-szakma gondolkodását, és abban sokkal általánosabban jelenne meg a felületi kémhatásváltozások fontossága.”