Klimaat & energie › Groene waterstof & e-fuels
Nederlands-Portugese katalysator halveert kostbaar metaal in groene waterstof
Onderzoekers in Portugal hebben een piepklein legeringsdeeltje ontwikkeld dat de productie van groene waterstof goedkoper en duurzamer kan maken. De nieuwe katalysator gebruikt ongeveer de helft van het kostbare platina dat normaal nodig is, en presteert daarbij zelfs beter dan bestaande technologie.
Groene waterstof geldt als een belangrijk alternatief voor fossiele brandstoffen, maar de productie ervan kent een duur probleem: de apparaten die water splitsen in waterstof en zuurstof hebben grote hoeveelheden platina nodig. Dat edelmetaal is schaars en kostbaar, wat opschaling van waterstofproductie bemoeilijkt. Onderzoekers van het International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL) in Braga, Portugal, presenteren nu een oplossing die beduidend minder platina vereist zonder aan prestaties in te boeten.
Het team, onder leiding van de Kolen'ko Research Group, ontwikkelde nanodeeltjes van slechts 1,5 nanometer groot, gemaakt van een legering van platina, nikkel en ruthenium. Deze piepkleine deeltjes werden verankerd op graffeen, een laag van koolstofatomen met veel oppervlaktedefecten die als stevige drager dient. De nieuwe katalysator bevat 20,5 procent edelmetaal, tegenover 40 procent platina in de huidige commerciële standaard. Toch versloeg het nieuwe materiaal die standaard op meerdere punten, onder meer qua stroomdichtheid: in een testopstelling leverde de katalysator 1,0 ampère per vierkante centimeter bij een spanning van 1,6 volt.
Hoe de katalysator zichzelf activeert
Opvallend is dat de katalysator tijdens gebruik juist beter gaat werken in plaats van slechter. Aan het begin zitten delen van de deeltjes bedekt met nikkeloxide. Zodra er elektrische stroom doorheen loopt, verdwijnt die oxidelaag en komt de onderliggende metaallegering bloot te liggen. Onderzoeker Sitaramanjaneya Mouli Thalluri noemt dit "tegenintuïtief, maar precies wat je wilt voor langdurig gebruik": de katalysator slijt niet, maar activeert juist. Metingen met synchrotron-röntgenstraling, een techniek waarmee wetenschappers op atomair niveau kunnen zien hoe materialen veranderen, bevestigden dat dit proces door de elektrochemische reactie zelf wordt aangedreven.
In de praktijktest bleef de katalysator meer dan 300 uur stabiel bij 60 graden Celsius, een temperatuur die overeenkomt met industrieel gebruik. De bestaande commerciële katalysator liet in dezelfde periode juist een geleidelijke prestatievermindering zien.
Productieproces als sleutel tot opschaling
Naast het materiaal zelf is ook de productiemethode belangrijk. Platina, nikkel en ruthenium reageren elk op een ander moment tijdens de synthese, waardoor het moeilijk is om ze gelijktijdig in de juiste verhouding te laten samensmelten. De onderzoekers losten dit op met een continue-doorstroomreactor, die de vorming van de drie metalen op elkaar afstemt. Co-auteur Srinivas Katam noemt deze aanpak "de doorslaggevende factor" voor verdere opschaling naar grotere productiesystemen. Het onderzoek, gefinancierd vanuit het Europese herstelfonds NextGenerationEU, werd gepubliceerd in het tijdschrift Chemical Engineering Journal. Het team denkt dat de techniek ook bruikbaar is voor andere vormen van elektrochemische energieomzetting.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Minder edelmetaal nodig hebben voor elektrolyse kan de kosten van groene waterstof flink verlagen, wat de opschaling van waterstofproductie wereldwijd kan versnellen. Omdat de katalysator tijdens gebruik juist stabieler wordt in plaats van te verslijten, kunnen waterstoffabrieken langer draaien zonder onderdelen te vervangen, wat ook de milieubelasting van de technologie verkleint.
- Groene waterstof
- Waterstof die wordt geproduceerd met elektriciteit uit duurzame bronnen zoals wind- of zonne-energie, in plaats van met fossiele brandstoffen.
- PEMWE (proton exchange membrane water electrolysis)
- Een techniek waarbij elektriciteit water splitst in waterstof en zuurstof via een speciaal membraan dat protonen doorlaat.
- Katalysator
- Een stof die een chemische reactie versnelt zonder zelf te worden verbruikt.
- Platinagroepmetalen
- Een groep schaarse, kostbare metalen zoals platina en ruthenium die vaak als katalysator worden gebruikt vanwege hun chemische eigenschappen.
- Nanodeeltje
- Een deeltje op de schaal van miljardsten van een meter, zo klein dat het vaak andere chemische eigenschappen heeft dan hetzelfde materiaal in grotere vorm.
- Medium-entropie legering
- Een mengsel van meerdere metalen in een specifieke verhouding, waarbij de combinatie nieuwe of verbeterde eigenschappen oplevert vergeleken met de losse metalen.
- Graffeen
- Een extreem dun laagje koolstofatomen dat vaak dient als geleidende drager voor andere materialen.
- Synchrotron-röntgenspectroscopie
- Een onderzoekstechniek die krachtige röntgenstraling gebruikt om op atomair niveau te bepalen hoe materialen zijn opgebouwd en veranderen.
- Continue-doorstroomsynthese
- Een productiemethode waarbij grondstoffen continu door een reactor stromen, wat helpt om chemische reacties nauwkeurig te sturen en op grotere schaal te produceren.
- Stroomdichtheid
- De hoeveelheid elektrische stroom per oppervlakte-eenheid, een maat voor hoe efficiënt een elektrolyse-cel werkt.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
