Efficiënte opslagtechnologieën zijn nodig om zonne- en windenergie te helpen voldoen aan de toegenomen vraag naar energie. Een belangrijke benadering is opslag in de vorm van waterstof gewonnen uit water met behulp van zonne- of windenergie. Dit proces vindt plaats in een zogenaamde elektrolyser. Dankzij een nieuw materiaal ontwikkeld door onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI en Empa, deze apparaten zullen in de toekomst waarschijnlijk goedkoper en efficiënter worden. Het materiaal in kwestie werkt als een katalysator die de splitsing van watermoleculen versnelt:de eerste stap in de productie van waterstof. Onderzoekers toonden ook aan dat dit nieuwe materiaal betrouwbaar in grote hoeveelheden kan worden geproduceerd en hebben zijn prestatievermogen aangetoond in een technische elektrolysecel - het hoofdbestanddeel van een elektrolyser. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in de huidige editie van het wetenschappelijke tijdschrift Natuurmaterialen .

Omdat zonne- en windenergie niet altijd beschikbaar is, het zal pas significant bijdragen aan het voldoen aan de energievraag als er een betrouwbare opslagmethode is ontwikkeld. Een veelbelovende aanpak van dit probleem is opslag in de vorm van waterstof. Dit proces vereist een elektrolyser, die elektriciteit gebruikt die wordt opgewekt door zonne- of windenergie om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Waterstof dient als energiedrager. Het kan in tanks worden opgeslagen en later met behulp van brandstofcellen weer worden omgezet in elektrische energie. Dit proces kan lokaal worden uitgevoerd, op plaatsen waar energie nodig is, zoals woningen of brandstofcelvoertuigen, mobiliteit mogelijk maken zonder de uitstoot van CO2.

Goedkoop en efficiënt

Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI hebben nu een nieuw materiaal ontwikkeld dat als katalysator fungeert in een elektrolyser en zo de splitsing van watermoleculen versnelt:de eerste stap in de productie van waterstof. "Er zijn momenteel twee soorten elektrolysers op de markt:de ene is efficiënt maar duur omdat de katalysatoren edele metalen zoals iridium bevatten. De andere zijn goedkoper maar minder efficiënt", legt Emiliana Fabbri uit, onderzoeker aan het Paul Scherrer Instituut. "We wilden een efficiënte maar goedkopere katalysator ontwikkelen die werkte zonder edelmetalen te gebruiken."

Bij het verkennen van deze procedure, onderzoekers konden een materiaal gebruiken dat al was ontwikkeld:een ingewikkelde verbinding van de elementen barium, strontium, kobalt, ijzer en zuurstof – een zogenaamde perovskiet. Maar zij waren de eersten die een techniek ontwikkelden die de productie ervan in de vorm van minuscule nanodeeltjes mogelijk maakt. Dit is de vorm die nodig is om efficiënt te kunnen functioneren, aangezien een katalysator een groot oppervlak vereist waarop veel reactieve centra de elektrochemische reactie kunnen versnellen. Nadat afzonderlijke katalysatordeeltjes zo klein mogelijk zijn gemaakt, hun respectieve oppervlakken vormen samen een veel groter totaaloppervlak.

Onderzoekers gebruikten een zogenaamd flame-spray-apparaat om dit nanopoeder te produceren:een apparaat van Empa dat de samenstellende delen van het materiaal door een vlam stuurt waar ze samensmelten en snel stollen tot kleine deeltjes zodra ze de vlam verlaten. "We moesten een manier vinden om het apparaat te bedienen die op betrouwbare wijze het stollen van de atomen van de verschillende elementen in de juiste structuur garandeerde, " benadrukt Fabbri. "Ook hebben we het zuurstofgehalte kunnen variëren waar nodig, waardoor de productie van verschillende materiaalvarianten mogelijk is."

Succesvolle veldtesten

Onderzoekers konden aantonen dat deze procedures niet alleen in het laboratorium werken, maar ook in de praktijk. De productiemethode levert grote hoeveelheden van het katalysatorpoeder op en kan gemakkelijk beschikbaar worden gemaakt voor industrieel gebruik. "We wilden de katalysator graag testen in veldomstandigheden. we hebben testfaciliteiten bij PSI die het materiaal kunnen onderzoeken, maar de waarde ervan hangt uiteindelijk af van de geschiktheid voor industriële elektrolysecellen die worden gebruikt in commerciële elektrolysers, ", zegt Fabbri. Onderzoekers testten de katalysator in samenwerking met een elektrolyserfabrikant in de VS en konden aantonen dat het apparaat betrouwbaarder werkte met de nieuwe door PSI geproduceerde perovskiet dan met een conventionele iridiumoxidekatalysator.

Onderzoeken in milliseconden

Onderzoekers waren ook in staat om nauwkeurige experimenten uit te voeren die nauwkeurige informatie opleverden over wat er in het nieuwe materiaal gebeurt wanneer het actief is. Dit omvatte het bestuderen van het materiaal met röntgenstralen bij PSI's Swiss Light Source SLS. Deze faciliteit biedt onderzoekers een uniek meetstation dat in staat is de toestand van een materiaal te analyseren over opeenvolgende tijdspannes van slechts 200 milliseconden. "Hierdoor kunnen we veranderingen in de katalysator volgen tijdens de katalytische reactie:we kunnen veranderingen in de elektronische eigenschappen of de rangschikking van atomen waarnemen, ", zegt Fabbri. Bij andere faciliteiten, elke individuele meting duurt ongeveer 15 minuten, levert op zijn best slechts een gemiddeld beeld op." Deze metingen lieten ook zien hoe de structuren van deeltjesoppervlakken veranderen wanneer ze actief zijn - delen van het materiaal worden amorf, wat betekent dat de atomen in individuele gebieden niet langer uniform zijn gerangschikt. dit maakt het materiaal een betere katalysator.