Klimaat & energie › Groene waterstof & e-fuels
Goedkope katalysator van nikkel en ijzer nadert duur ruthenium in waterstofproef
Onderzoekers hebben een goedkope katalysator ontwikkeld voor de productie van groene waterstof die bijna net zo goed werkt als het dure edelmetaal ruthenium. Het verschil in prestatie is nog maar 50 millivolt, een klein verschil met grote gevolgen voor de kosten van waterstofproductie.
Groene waterstof wordt gemaakt door water te splitsen in waterstof en zuurstof met behulp van elektriciteit, een proces dat elektrolyse heet. Als die elektriciteit uit zon of wind komt, komt er bij dit proces geen CO2 vrij. Toch wordt wereldwijd nog steeds ongeveer 96 procent van alle waterstof gemaakt uit fossiele brandstoffen, blijkt uit de studie. Eén kilogram grijze waterstof, gemaakt uit aardgas, stoot ongeveer tien kilogram CO2 uit. Een belangrijke reden dat groene waterstof duur blijft, is de katalysator die nodig is om de reactie aan te jagen. Die wordt doorgaans gemaakt van schaarse en kostbare metalen zoals platina, ruthenium en iridium.
Nikkel en ijzer op een nanovezelskelet
Een internationaal onderzoeksteam ontwikkelde nu twee alternatieve katalysatoren op basis van veel goedkopere metalen: nikkeloxide en ijzeroxide. De deeltjes zitten vast aan de uiteinden van koolstofnanovezels, die op hun beurt zijn gegroeid op een geleidend plaatmateriaal genaamd MXene. Dat materiaal, opgebouwd uit titanium en koolstof, fungeert als een soort elektrisch skelet waarop de nanovezels zich konden vormen zonder dat de gelaagde structuur verloren ging. Volgens de onderzoekers levert die combinatie een materiaal op met veel actieve plekken waar de reactie kan plaatsvinden, en met goede elektrische geleiding tussen die plekken.
Nikkel presteert bijna als ruthenium
De onderzoekers testten beide katalysatoren in een alkalische oplossing, de omgeving waarin elektrolyse vaak plaatsvindt. Bij het vormen van waterstofgas had de nikkelvariant een overpotentiaal van 490 millivolt nodig, de ijzervariant 520 millivolt. Overpotentiaal is de extra energie die nodig is boven op de theoretische minimale spanning om de reactie op gang te brengen: hoe lager, hoe efficiënter de katalysator. Het grootste verschil zat in de zuurstofproductie: de nikkelkatalysator had daar maar 300 millivolt voor nodig, tegenover 250 millivolt voor het benchmarkmateriaal rutheniumoxide. Een verschil van slechts 50 millivolt, terwijl ruthenium veel duurder en schaarser is. In complete testopstellingen presteerde de ijzervariant juist beter, omdat ijzer helpt om tussenproducten tijdens de zuurstofreactie te stabiliseren. Beide prototypes bleven 24 uur stabiel functioneren, met een geringe toename van de benodigde spanning.
Nog niet zo goed als platina
De nieuwe katalysatoren evenaren platina nog niet, dat voor waterstofproductie met slechts 70 millivolt toe kan. Toch noemen de onderzoekers hun methode veelbelovend, omdat ze laat zien dat efficiënte katalysatoren ook te maken zijn van goedkope en veelvoorkomende metalen, op een manier die mogelijk op te schalen is voor industrieel gebruik. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Applied Nano Materials.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Als goedkope metalen zoals nikkel en ijzer net zo goed blijken te werken als dure edelmetalen, kan dat de kostprijs van groene waterstof flink verlagen. Dat zou elektrolyse aantrekkelijker maken als alternatief voor fossiele waterstofproductie, wat weer kan bijdragen aan het verminderen van CO2-uitstoot in de industrie en transport.
- Groene waterstof
- Waterstofgas dat wordt gemaakt door water te splitsen met elektriciteit uit duurzame bronnen, zonder CO2-uitstoot.
- Elektrolyse
- Het proces waarbij elektrische stroom water splitst in waterstof- en zuurstofgas.
- Katalysator
- Een stof die een chemische reactie versnelt of makkelijker maakt zonder zelf te worden verbruikt.
- Overpotentiaal
- De extra elektrische spanning die nodig is boven het theoretische minimum om een reactie te laten verlopen; lager is beter.
- Millivolt
- Een duizendste deel van een volt, gebruikt om kleine spanningsverschillen tussen katalysatoren te meten.
- Zuurstofontwikkelingsreactie
- De chemische stap in elektrolyse waarbij zuurstofgas vrijkomt; vaak het moeilijkste en traagste deel van het proces.
- Waterstofontwikkelingsreactie
- De chemische stap in elektrolyse waarbij waterstofgas ontstaat.
- Ruthenium(oxide)
- Een schaars en duur edelmetaal dat vaak als referentiemateriaal dient voor goed werkende katalysatoren.
- MXene
- Een dun, geleidend plaatmateriaal op basis van titanium en koolstof, hier gebruikt als draagstructuur voor de katalysator.
- Koolstofnanovezels
- Zeer dunne draadjes van koolstof die als skelet dienen waarop katalysatordeeltjes groeien.
- Alkalische elektrolyt
- Een basische vloeistof waarin de elektrolysereactie plaatsvindt.
- Grijze waterstof
- Waterstof geproduceerd uit fossiele brandstoffen, met hoge CO2-uitstoot als gevolg.
- Elektrolyzer
- Het apparaat waarin elektrolyse plaatsvindt en waterstof wordt geproduceerd.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
