Slovensko znanje za učinkovitejšo oskrbo Evrope s plemenitimi kovinami

Platina, zlato, srebro in druge plemenite kovine so zelo priljubljene v našem vsakdanu zaradi svoje obstojnosti in drugih zaželenih lastnosti – a prav zaradi tega so obenem tudi zelo nehvaležne snovi, kadar jih želimo reciklirati, ko zavržemo kakšno elektronsko napravo ali kaj drugega, kar vsebuje plemenite kovine.

Zelo cenjena obstojnost plemenitih kovin postane težava, ko jih želimo reciklirati

Ob vedno večji količini tovrstnih odpadkov je izziv recikliranja plemenitih kovin še bistveno večji. Proti temu se svet za zdaj bori predvsem z dvema ne ravno najboljšima rešitvama: obstoječa tehnologija razgradnje je zaradi stranskih produktov okoljsko zelo neprijazna, hkrati pa v državah tretjega sveta rastejo nevarna odlagališča odpadne elektronike in drugih predmetov, ki vsebujejo plemenite kovine.

Odkritje bo okoljsko razbremenilo recikliranje nadležnih odpadkov, ki vsebujejo plemenite kovine

Mednarodna skupina raziskovalcev, v kateri sodelujejo tudi slovenski znanstveniki, skupino pa vodi dr. Nejc Hodnik s Kemijskega inštituta v Ljubljani, je v ugledni znanstveni reviji Nature Communications objavila prispevek, katerega slovenski naslov je Zeleno recikliranje platine s pomočjo efektivnega raztapljanja s procesom spreminjanja površinskega potenciala.

Dr. Nejc Hodnik se na Odseku za katalizo in kemijsko inženirstvo Kemijskega inštituta v Ljubljani, kjer raziskuje že od svoje diplome, ukvarja predvsem s področjem elektrokatalize. Foto: Damjan Makuc

Ta strokovni naslov obeta, da bi lahko v prihodnje plemenite kovine reciklirali veliko uspešneje in s tem naredili veliko tako za okolje kot tudi za svetovno gospodarstvo. Dovolj velik razlog, da smo Nejcu Hodniku zastavili nekaj vprašanj o odkritju njegove raziskovalne skupine.

Kaj je usmerjalo in določalo področje vaših raziskav? Kaj ste želeli rešiti, na kaj ste hoteli odgovoriti?

Izziv raztopiti plemenite kovine je velik, saj so te že po svoji naravi zelo odporne proti korozijskim napadom – ravno zato nosimo in zelo cenimo nakit iz teh materialov. Zdaj se za raztapljanje plemenitih kovin uporablja izredno agresivne kemikalije, na primer zlatotopko, vrelo mešanico koncentrirane solne in dušikove kisline, iz katere se kadijo strupeni plini, kot so klor in dušikovi oksidi. Če poskusimo raztopiti recimo platino z manj agresivno snovjo, na primer navadno razredčeno kislino in nekim oksidantom, kot sta peroksid ali ozon, se platina prevleče s tanko oksidno plastjo, ki jo pasivira, torej zaščiti pred raztapljanjem.

Izziv raztopiti plemenite kovine je velik, saj so te že po svoji naravi zelo odporne proti korozijskim napadom.

Kako bi tistim s srednješolskim znanjem kemije preprosto pojasnili svoj dosežek?

Mi smo našli spreten način, kako se lahko ognemo tej pasivaciji. To dosežemo tako, da pasivirani film redukcijsko odstranimo s prisotnostjo reduktivnega plina, kot sta vodik ali ogljikov monoksid, in ga potem spet tvorimo z oksidacijo z recimo ozonom. Med tema dvema elektrokemijskima procesoma, ki ju ponavljamo, se platina efektivno raztaplja. Ta korozijski pojav smo poimenovali tranzientno raztapljanje.

Platina, zlato, srebro in druge plemenite kovine so zelo priljubljene v našem vsakdanu zaradi svoje obstojnosti in drugih zaželenih lastnosti – a prav zaradi tega so obenem tudi zelo nehvaležne snovi, kadar jih želimo reciklirati, ko zavržemo elektronsko napravo ali kaj drugega, kar vsebuje plemenite kovine. Foto: Reuters

Kdaj se vam je porodila ta ideja?

Potem ko sem šel na podoktorsko izobraževanje v Nemčijo na inštitut Max-Planck, sem prišel na idejo, kako raztapljati plemenite kovine. Pri tem dosežku je pomembno to, da mi potenciala kovine ne spreminjamo z električno napravo (potenciostat), kot je to v navadi pri elektrokemičnih eksperimentih, temveč za reakcije uporabljamo kovine s plini, ki inducirajo želeni potencial, tega pa določimo z izbiro plina v kombinaciji s kovino. Vsak par ima drugačen potencial. Na podoben način se tvori določen potencial na vsaki od elektrod v gorilni celici oziroma v kateremkoli galvanskem členu. Tako potencialna razlika med elektrodama v nizkotemperaturni gorivni celici, kjer imamo na eni strani vodik in platino in na drugi kisik in spet platino, žene električni tok.

Pri tem dosežku je pomembno to, da mi potenciala kovine ne spreminjamo z električno napravo (potenciostat), kot je to v navadi pri elektrokemičnih eksperimentih, temveč za reakcije uporabljamo kovine s plini.

Ali je to odkritje povsem v skladu z nameni in pričakovanji vaše raziskave?

Zanimivo je to, da sem povsem naključno prišel na to idejo. Moja tematika je aktivnost in stabilnost katalizatorjev za nizkotemperaturne gorivne celice, ki vsebujejo plemenite kovine – predvsem platino. Tako smo pri študiju stabilnosti odkrili, da se platina izredno "rada" raztaplja pri prehodu iz oksidiranega v reducirano stanje. Vse skupaj je dobro delovalo s plini. Zdaj je moja tema razdeljena na dva dela. Po eni strani hočemo najti načine, kako upočasniti raztapljanje, in po drugi, kako raztapljanje pohitriti.

"Neposredno to odkritje prinaša povsem novo kemijo raztapljanja kovin, ki je potencialno uporabna za recikliranje. Verjamem pa, da se bo našla tudi kakšna druga uporaba. Upam, da bo to pripomoglo pri prepoznavnosti Slovenije in da bomo na podlagi objave v tako ugledni reviji, kot je Nature Communications, dobili klic za sodelovanje iz kakšnega industrijskega podjetja." Foto: Damjan Makuc

Kdo je sodeloval pri raziskavah, ki ste jih vodili?

Raziskava je plod večletnih raziskav, ki smo jih opravljali že prej, predvsem na področju degradacije platinskih katalizatorjev. V okviru Kemijskega inštituta se med raziskavami stabilnosti plemenitih kovin uporablja oprema treh odsekov, hkrati pa ti trije odseki seveda tudi sodelujejo pri nadaljevanju projekta. Odsek za katalizo in reakcijsko inženirstvo je skupaj z inštitutom Max-Planck v Düsseldorfu prispeval z elektrokemijskimi meritvami in meritvami v šaržnem reaktorju, ki omogoča izmenično nasičenje z različnimi plini.

Neposredno to odkritje prinaša povsem novo kemijo raztapljanja kovin, ki je potencialno uporabna za recikliranje. Verjamem pa, da se bo našla tudi kakšna druga uporaba.

Odsek za kemijo materialov je prispeval s sintezo različnih vzorcev, ki so predvsem katalizatorji, z elektrokemijskimi meritvami in novim elektronskim transmisijskim mikroskopom. Odsek za analizno kemijo je prispeval z izjemno preciznim inštrumentom: elementni masni spektrometer z vzbujanjem v induktivno sklopljeni plazmi, sklopljen s pretočno elektrokemično pretočno celico. S to opremo dobimo informacijo o pogojih, pri katerih se določena kovina raztaplja, kar so ključne informacije za ta projekt.

Ali so še drugje po svetu raziskovalci, ki so se lotili podobne tematike, pa ste jih prehiteli?

Prof. Karl J. J. Mayrhofer z inštituta Max-Planck v Düsseldorfu je vodilni na svetu glede študija degradacije katalizatorjev za uporabo v nizkotemperaturnih gorivnih celicah in elektrolizerjih. Nekaj takih študij delamo samo še pri nas, zato pravzaprav nismo imeli neke konkurence. Smo se pa potrudili, da smo čim hitreje vložili prijavo za patent, in sicer nemški.

Kakšne so neposredne koristi vašega odkritja, kakšne pa za ugled slovenske znanosti in Slovenije?

Neposredno to odkritje prinaša povsem novo kemijo raztapljanja kovin, ki je potencialno uporabna za recikliranje. Verjamem pa, da se bo našla tudi kakšna druga uporaba. Upam, da bo to pripomoglo pri prepoznavnosti Slovenije in da bomo na podlagi objave v tako ugledni reviji, kot je Nature Communications, dobili klic za sodelovanje iz kakšnega industrijskega podjetja.

Tri četrtine odpadne elektronike, s tem pa tudi veliko dragocenih surovin, kot so plemenite kovine, še vedno končajo na odlagališčih Azije in Afrike, kjer predstavljajo veliko okoljsko in zdravstveno grožnjo. Foto: Reuters

Kako hitro lahko ta dosežek začne uporabljati slovensko gospodarstvo ali gospodarstva drugih držav?

Nekaj razvoja je še potrebnega, tako da ne tako hitro. Težko ocenim, koliko. Vem pa, da bodo v prihodnosti plemenite kovine zelo pomembne surovine in bi vsekakor bilo vredno ostati v tem poslu oziroma iti v ta posel tudi s tehnologijo, ki jo lahko kupite že zdaj.

Kako ekološko resen je problem recikliranja plemenitih kovin? Ali se Slovenija spopada z njim, kako ukrepa?

To je težko vprašanje. Vem, da je na evropski in svetovni ravni težava pereča, in predvidevam, da to zajema tudi Slovenijo. Predvsem je težava onesnaževanje držav tretjega sveta, kamor se izvaža vse smeti, predvsem elektronske odpadke. Veliko ljudi se te težave sploh ne zaveda, ker tega nimamo neposredno pred očmi – to je zelo narobe!

Včasih se prav vprašam, kako je mogoče narediti pametni mobilni telefon tako zelo poceni.

Plemenite kovine so zelo pomembna surovina …

V Evropski uniji skorajda ni nahajališč plemenitih kovin. Zaradi vedno večjih potreb po pametnih telefonih in drugih visokotehnoloških izdelkih, ki te plemenite kovine vsebujejo, se bo Evropa slej ko prej znašla v položaju, da uvoz ne bo več zadoščal. Podobna težava je tudi z redkimi kovinami.

"Pričakujem, da se bo na podlagi našega dosežka dalo narediti sistem za recikliranje, ki bo cenovno ugoden, in se bo s tem tudi v Evropi na lokalni ravni obrestovalo predelovati odpadke, ki vsebujejo plemenite kovine." Foto: Damjan Makuc

Ali so dosežki vaše raziskave takoj prenesljivi v prakso?

V članku smo pokazali koncept in tudi eksperiment, kjer smo raztopili vso platino in paladij iz katalitičnega pretvornika, natančneje iz izpušnega sistema v avtih. Menim, da bi lahko dokaj hitro z nekaj inženirskega znanja, ki ga pri nas imamo, naredili reaktor za raztapljanje plemenitih kovin. S tem bomo sicer rešili le delček velike težave, ki jo predstavlja recikliranje plemenitih kovin.

Kje v praksi pričakujete največje učinke vašega odkritja?

Osebno pričakujem, da se bo na podlagi našega dosežka dalo narediti sistem za recikliranje, ki bo cenovno ugoden, in se bo s tem tudi v Evropi na lokalni ravni obrestovalo predelovati odpadke, ki vsebujejo plemenite kovine. Največja ovira pri tem je finančni in ekološki vpliv ter sistem zbiranja odpadkov, ki mora zdaj odpadke iz vse Evrope skoncentrirati v nekaj deset lokacij v Evropski uniji, kjer plemenite kovine reciklirajo. V kraju Hoboken v Belgiji stoji obrat z najnaprednejšo tehnologijo recikliranja, po drugi strani pa še vedno 75 odstotkov e-odpadkov konča v državah tretjega sveta.

Menim, da bi lahko dokaj hitro z nekaj inženirskega znanja, ki ga pri nas imamo, naredili reaktor za raztapljanje plemenitih kovin. S tem bomo sicer rešili le delček velike težave, ki jo predstavlja recikliranje plemenitih kovin.

Ali je vaše odkritje torej predvsem dobra novica za države tretjega sveta, kjer konča največ tovrstnih odpadkov?

Menim, da bo Evropa slej ko prej zaostrila pogoje in zaprla nelegalne kanale, kamor se izvažajo odpadki. Predvidevam, da bodo vse naprave morale biti sledljive od nastanka do prenehanja uporabe. Ko se bo to začelo izvajati, bo potreba po čistejši in cenejši tehnologiji narasla. Po drugi strani pa bi bil vesel, če bi lahko ljudem iz tretjega sveta, kjer zdaj reciklirajo z agresivnimi kemikalijami brez primerne opreme in zaščite, ponudili manj škodljiv način. Potrebnih bo še nekaj poskusov, da bi naš proces optimizirali.

Evropska unija ima zelo malo lastnih virov plemenitih kovin. Ta rudnik platine je blizu kraja Rustenburg v Republiki Južni Afriki. Foto: Reuters

Ugotovili smo, da gre za surovine, za katere Evropa nima lastnih nahajališč – ali se zaradi tega odkritja lahko poveča neodvisnost Evrope od drugih virov? Ali bodo naprave, ki uporabljajo plemenite kovine, zato morda celo cenejše?

Cenejše zagotovo ne bodo. Cene naprav so že zdaj smešno nizke, če samo pomislimo, koliko kovin vsebujejo in kako kompleksne so. Včasih se prav vprašam, kako je mogoče narediti kakšen telefon tako zelo poceni.

Zgodi se lahko, da se nekatere države odločijo, da dvignejo ceno ali pa celo Evropi omejijo dostop do surovin. Če pa začnemo z "urbanim rudarjenjem", kjer imajo zdaj nekateri odpadki celo večjo vsebnost kovin kot pa njihova ruda, se s tem zavarujemo pred odvisnostjo od drugih.

Ali se Slovenija lahko primerja z državami, kjer znanosti namenjajo veliko več sredstev kot pri nas?

Menim, da imamo v Sloveniji, vsaj nekateri, dobre pogoje za delo. Pri nas na inštitutu imamo trenutno odlično infrastrukturo, ki je povsem primerljiva s tisto na najboljših svetovnih ustanovah. Nekateri posamezniki pri nas in še nekaterih slovenskih znanstvenih ustanovah dosegajo svetovno odmevne rezultate in so tudi svetovno priznani, a tega žal ne morem govoriti za celotno slovensko znanost. Torej je mogoče!

Menim, da imamo v Sloveniji, vsaj nekateri, dobre pogoje za delo. Nekateri posamezniki pri nas in še nekaterih slovenskih znanstvenih ustanovah dosegajo svetovno odmevne rezultate in so tudi svetovno priznani, a tega žal ne morem govoriti za celotno slovensko znanost.

Kaj nam manjka, da bi bili še boljši?

V Nemčiji sem spoznal, kako je v tujini, kjer moraš prav tako kot pri nas vložiti veliko dela v vsak dosežek. Pri nas bi mogoče morali znati prepoznati vrhunskost in jo bolje nagraditi. Veliko priložnosti vidim tudi v sodelovanju med odseki in ustanovami, pri tem tudi osebno vztrajam pri svojem delu. Mislim, da ima Slovenija zelo dober kadrovski in infrastrukturni potencial, ki pa ga bomo lahko izkoristili le s trdim delom in sodelovanjem. Seveda pa ne smemo pozabljati na vzgojo, izobrazbo in vključevanje mladih!

"V Nemčiji sem spoznal, kako je v tujini, kjer moraš prav tako kot pri nas v vsak dosežek vložiti veliko dela." Foto: Damjan Makuc

Kaj so naslednji koraki? Kako se bo nadaljeval projekt? Kaj je naslednje veliko odkritje, ki ga želite ali pričakujete?

Naslednji korak je, da še na drugih plemenitih kovinah pokažemo, da jih lahko raztopimo na naš način. Prvi poskusi so obetavni. Hkrati bomo iskali nove reagente, ki bi bili še bolj učinkoviti in seveda do okolja prijaznejši. Ena izmed malo predrznih idej je, da bi platino poskusili raztapljati kar v morski vodi. Po drugi strani pa nadaljujemo z nasprotno tematiko, kjer razvijamo napredne materiale za uporabo v elektrokemičnih reaktorjih, ki bi bili odporni proti koroziji. Imamo še veliko idej in dela!

Ali vas vidi in sliši tudi gospodarstvo?

Smo v stiku z nekaterimi podjetji in upam na kakšno sodelovanje. Sodelovanje s podjetji pri reševanju relevantnih težav je to, kar nam mogoče včasih manjka oziroma kar pogrešamo.

"Načrtujem, da bomo na Kemijskem inštitutu v prihodnosti oblikovali skupino ljudi, ki se bo ukvarjala s tematiko elektrokatalize – to je predvsem pretvorba energije z nizkotemperaturnimi gorivnimi celicami in elektrolizerji – in bo prepoznavna v svetu." Foto: Damjan Makuc

Ena od največjih težav današnjega časa je usklajevanja poklicnega in zasebnega življenja – kako to dosegate pri vrhunski znanosti, ki nedvomno zahteva veliko predanosti in odrekanj?

Ker imam izredno živahno dvoletno hči, se tega še posebej zavedam. Treba je najti kompromis med obema svetovoma, ki nikakor nista združljiva. Tudi če bi hotel doma nekaj brati ali pisati, mi otrok tega ne dovoli – kar se mi zdi tudi prav.

Se pa moram seveda zahvaliti najboljši ženi na svetu, ki me podpira v vsem, kar delam. Najlepši dokaz je, da je šla z mano in enomesečnim otrokom živet v Düsseldorf za dve leti. Od te izkušnje naprej še bolj ceniva pomoč najinih staršev, ki se jim za to zahvaljujem.

Vaši znanstveni cilji za prihodnost?

Načrtujem, da bomo na Kemijskem inštitutu v prihodnosti oblikovali skupino ljudi, ki se bo ukvarjala s tematiko elektrokatalize – to je predvsem pretvorba energije z nizkotemperaturnimi gorivnimi celicami in elektrolizerji – in bo prepoznavna v svetu. To je pravzaprav delo oziroma vizija, ki jo je zastavil moj doktorski mentor dr. Stanko Hočevar. Dodal sem le to, da se ukvarjamo še z recikliranjem plemenitih kovin, kar se lepo povezuje s tematiko pretvorbe energije, kjer je eden glavnih izzivov stabilnost plemenitih kovin, ki se jim za zdaj še ne moremo izogniti. Za to potrebujemo infrastrukturo, denar, kader in čas. Nekaj od tega že imamo, dosti pa moramo še pridobiti. Vendar so pogoji dobri in verjamem, da nam bo uspelo.