Brandstofcellen spelen een belangrijke rol bij het creëren van een schone energietoekomst, met een breed scala aan toepassingen, variërend van het aandrijven van gebouwen tot het elektrificeren van transport. Maar, zoals met alle opkomende technologieën, onderzoekers hebben veel barrières ondervonden bij het ontwikkelen van betaalbare, efficiënte brandstofcellen en het creëren van een manier om de waterstof die ze aandrijft schoon te produceren.

In een nieuw Perspectief-artikel, gepubliceerd in de Journal of The Electrochemical Society , onderzoekers streven naar een fundamenteel debat over de belangrijkste reacties achter brandstofcellen en waterstofproductie, die, indien opgelost, technologieën voor schone energie aanzienlijk kunnen versterken.

In het open access-artikel "Perspectief - Op weg naar het vaststellen van schijnbare waterstofbindende energie als de descriptor voor waterstofoxidatie / evolutiereacties, " Yushan Yan en zijn co-auteurs van de Universiteit van Delaware geven een gezaghebbend overzicht van werk dat is gedaan op het gebied van waterstofoxidatie en -evolutie, stel belangrijke vragen ter discussie, en paden bieden voor toekomstige innovatie in het veld.

Waterstofoxidatie en waterstofevolutiereacties zijn twee van de eenvoudigste elektrochemische reacties, maar is toevallig de ruggengraat voor de ontwikkeling van cruciale technologieën voor schone energie.

"Deze twee reacties vormen de basis voor schone brandstofcellen, " zegt Yan. "Met waterstofoxidatie, je hebt een brandstofcelreactie. Als je waterstofevolutie doet, waterstof produceren uit water, dat is waterelektrolyse, die schone waterstof produceert voor brandstofcellen en andere toepassingen."

Momenteel, brandstofcellen staan ​​vooral bekend om hun rol bij het elektrificeren van transport. Brandstofcelauto's zijn op de markt gebracht door bedrijven als Toyota, Honda, en Hyundai, die voertuigen blijven steunen die worden aangedreven door technologieën voor schone energie. De meeste moderne brandstofcellen, specifiek die gebruikt voor automobieltoepassingen, zijn protonenuitwisselingsmembraan (PEM) brandstofcellen, die functioneert door protonen uit te wisselen over een zuur polymeermembraan om elektriciteit en warmte te produceren.

Echter, Yan en zijn team willen dit model verbeteren, fundamentele manieren onderzoeken om een ​​brandstofcel te produceren die betaalbaarder is.

"Wat we willen doen is van een zuur naar een base gaan, " zegt Yan. "Het klinkt misschien heel simpel, maar deze verandering stelt ons in staat om niet-edele metalen als katalysatoren te gebruiken in plaats van de zeer dure metalen uit de platinagroep. We zijn echt op zoek naar een oplossing voor de barrière voor PEM-brandstofceltechnologie, waardoor het goedkoper en dus inzetbaar is op de massamarkt."

De onderzoekers ontdekten dat toen ze begonnen met de overgang van een zure naar een basische brandstofcel, zowel de waterstofoxidatiereacties als de waterstofevolutiereacties werden veel langzamer, die de efficiëntie van de technologie beïnvloeden. In het Perspectief artikel, de groep schetst dit probleem en begint meningen te formuleren over waarom dit gebeurt, evenals het uitnodigen van collega's in het veld om deel te nemen aan het gesprek.

"Onderzoek doen kan competitief zijn, maar op het zelfde moment, we moeten ook meer mensen laten deelnemen aan het gesprek om dingen sneller te laten gebeuren, " zegt Yan. "Met dit artikel, we zijn op zoek naar meer mensen die aandacht willen schenken aan dit probleem en zich bij ons in het debat willen voegen."

Door de fundamentele reacties die essentieel zijn voor het voortstuwen van brandstofcel- en schone waterstofproductietechnologieën nader te bekijken, Yan is van mening dat er voor toekomstige toepassingen aanzienlijke vooruitgang kan worden geboekt.

"Als je deze zeer fundamentele vragen aanpakt, er kan een onmiddellijke impact zijn, " zegt Yan. "In dit artikel, we hebben het over waterstofoxidatie, dat is voor brandstofcellen. Maar we hebben het ook over de omgekeerde reactie, dat is waterstofevolutie. Waterstofevolutie gaat over het produceren van waterstof uit water met behulp van wind- en zonne-energie. Het is schone waterstof. Zeker wel, dat waterstof brandstofcelvoertuigen kan ondersteunen, maar waterstof heeft veel andere toepassingen."

Sommige van die andere toepassingen omvatten ammoniaksynthese. Zonder meststoffen op basis van ammoniak, de wereld zou niet genoeg voedsel kunnen verbouwen om de bevolking te voeden. Hoewel de productie van ammoniak van cruciaal belang is voor de mensheid, de waterstof die nodig is om het te produceren is afkomstig van fossiele brandstoffen. Ammoniak wordt momenteel gemaakt door een reactie tussen stikstof en waterstof, het Haber-Bosch-proces genoemd, waar waterstof wordt geproduceerd uit het reformen van aardgas. Als de waterstof die in dit proces wordt gebruikt in plaats daarvan op een schone manier is geproduceerd, de algehele milieu-impact zou enorm worden verbeterd.

Het artikeltype Perspective van ECS bood Yan en zijn coauteurs een uniek platform om hun ideeën te presenteren. In plaats van een traditioneel onderzoeksartikel, ECS Perspective-artikelen stellen onderzoekers in staat om nieuwe inzichten in hun vakgebied te bespreken, met het vermogen om nieuwe ideeën te genereren en de gebieden met betrekking tot elektrochemie en vastestofwetenschap vooruit te helpen.

"Het Perspective-artikel stelde ons in staat om samen te vatten wat er op dit gebied aan de hand is, maar belangrijker, schetsen wat er kan of moet gebeuren in de toekomst, " zegt Yan. "Bij het publiceren met de Journal of The Electrochemical Society , Ik had het gevoel dat we het meest geschikte publiek zouden bereiken dat goed is toegerust om met nieuwe ideeën te komen."

Yan hoopt dat dit artikel een gesprek over fundamentele reacties in brandstofcellen kan stimuleren en een uitwisseling van ideeën kan op gang brengen. mogelijk versnellen van de vooruitgang in het veld.

"Mijn droomscenario, " zei Jan, "is dat ooit, Ik zou mijn hydroxide-uitwisselingsmembraan-brandstofcel in een auto geïmplementeerd zien worden."