Nieuwe katalysator houdt groene waterstofproductie vier maanden stabiel

Groene waterstof geldt als veelbelovende schone brandstof, maar de katalysatoren die het productieproces aandrijven, zijn een zwakke schakel. Ze verliezen na verloop van tijd hun kracht, waardoor installaties vaker onderhoud nodig hebben en duurder worden. Onderzoekers van het Korea Institute of Materials Science (KIMS) hebben nu een platina-nikkelkatalysator ontwikkeld die dat probleem grotendeels oplost. In een test van 3.000 uur, omgerekend ruim vier maanden, bleef de prestatie voor meer dan 98 procent intact.

Waarom katalysatoren verslijten

De katalysator is gemaakt voor anion exchange membrane water elektrolyse, kortweg AEMWE. Bij deze vorm van elektrolyse wordt water onder alkalische omstandigheden gesplitst in waterstof en zuurstof met behulp van stroom. AEMWE staat in de belangstelling omdat de techniek minder afhankelijk is van dure edelmetalen dan sommige concurrerende methoden. Een nadeel is dat de reactie die waterstof vrijmaakt, de waterstofevolutiereactie, in een alkalische omgeving trager verloopt. Daardoor is een katalysator nodig die veel activiteit levert zonder snel te verslijten. Gangbare katalysatoren van platina en nikkel werken aanvankelijk goed, maar tijdens langdurig gebruik lost het nikkel geleidelijk op. Daardoor verandert de samenstelling en elektronische structuur van het materiaal, en daalt de prestatie. Bij een klassieke katalysator ging na de duurtest zo'n 54 procent van het oorspronkelijke nikkel verloren.

Atomen in de juiste volgorde

De Koreaanse onderzoekers loste dit op door de atomen in het materiaal anders te rangschikken. In plaats van platina en nikkel willekeurig te mengen, bouwden ze een geordende intermetallische structuur, waarbij beide elementen een vaste plek in het kristalrooster innemen. Computermodellen lieten zien dat nikkel in deze opstelling veel beter bestand is tegen oplossen. Het materiaal werd bij lage temperatuur gemaakt en vervolgens warmtebehandeld in een stikstofomgeving, waardoor de aanvankelijk chaotisch verdeelde atomen zich herschikten tot de stabielere, geordende structuur. Bij de nieuwe, geordende katalysator bleef het nikkelverlies beperkt tot ongeveer 9 procent, ruim vijf keer minder dan bij de klassieke variant.

Vier maanden non-stop testen

Om te testen of de vinding ook op grotere schaal werkt, bouwden de onderzoekers de katalysator in een elektrolyse-stack met drie cellen en een actief oppervlak van zo'n 640 vierkante centimeter. Dat systeem draaide non-stop 3.000 uur, terwijl het prestatieverlies onder de 2 procent bleef. Dat is relevant voor de economie van groene waterstof: vervanging en onderhoud van katalysatoren vormen een aanzienlijke kostenpost, zeker wanneer elektrolyse-installaties op grote schaal worden gekoppeld aan wisselvallige hernieuwbare stroom uit zon en wind. Volgens de onderzoekers kan de techniek worden toegepast in waterstoffabrieken die op hernieuwbare energie draaien, in decentrale elektrolyse-installaties en in grootschalige elektrolyse-stacks. Ze denken bovendien dat dezelfde methode van atomaire ordening ook bruikbaar is voor andere katalysatoren op basis van platina en overgangsmetalen, bijvoorbeeld in brandstofcellen en andere elektrochemische systemen. Dat zou de levensduur van dat soort technologie kunnen verlengen en de materiaalslijtage tijdens langdurig gebruik verminderen.