Het idee om waterstof te gebruiken als basis voor een schone duurzame energiebron, vaak een waterstofeconomie genoemd, al decennia lang onderwerp van gesprek. waterstof brandstof, bijvoorbeeld, stoot geen kooldioxide uit en wordt als duurzamer beschouwd dan traditionele fossiele brandstoffen.

Het lichtste element op het periodiek systeem, waterstof is een energiedrager die kan worden gebruikt voor het aandrijven van brandstofcellen in transportvoertuigen, gebouwen of andere infrastructuur. Waterstof kan ook helpen bij het upcyclen van dingen als stro, grassen en andere biomassa tot hoogwaardige chemicaliën die in alles worden gebruikt, van kunststoffen tot verf en artikelen voor persoonlijke verzorging.

Maar de technologie die deze innovaties aanstuurt, staat voor serieuze uitdagingen, vooral omdat het vrijmaken van waterstof voor deze toepassingen voornamelijk wordt geproduceerd door processen waarvoor fossiele brandstoffen nodig zijn en die milieukosten met zich meebrengen:koolstofdioxide.

Nutsvoorzieningen, Ingenieur Feng Jiao van de Universiteit van Delaware heeft een proces gepatenteerd dat de sleutel kan zijn tot het produceren van groenere waterstof uit water met behulp van elektriciteit en een koper-titaniumkatalysator.

Een focus op hernieuwbare energiebronnen

Jiao, een universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering en associate director van het Center for Catalytic Science and Technology aan de UD, was niet altijd geïnteresseerd in waterelektrolyse, die elektriciteit gebruikt om water te reduceren tot waterstofgas en zuurstofmoleculen. Toen hij in 2010 voor het eerst bij de faculteit UD kwam, zijn onderzoeksprogramma richtte zich op het vermogen van batterijen om energie op te slaan.

"Maar we realiseerden ons dat batterijen een dure technologie zijn voor grootschalige energieopslag, dus mijn lab begon zich te concentreren op nuttige manieren om in plaats daarvan elektriciteit te gebruiken, "Zei Jiao. "Chemische conversie is een manier om dit te doen."

aanvankelijk, Jiao en zijn onderzoeksteam richtten zich op het ontwikkelen van processen om koolstofdioxide om te zetten in bruikbare chemicaliën, zoals ethanol dat kan worden gebruikt in synthetische brandstoffen, of ethyleen dat kan worden gebruikt om polymeren en kunststoffen te produceren. Een project, gefinancierd door de National Science Foundation en later door de National Aeronautics and Space Administration (NASA), onderzocht manieren om koolstofdioxide om te zetten in zuurstof, iets dat zeer nuttig zou zijn voor verkenning van de diepe ruimte. Jiao en zijn studenten ontwikkelden een efficiënt systeem, maar ontdekten dat ze een betere katalysator nodig hadden om de reactie aan te drijven.

Terwijl ze verschillende metalen voor de klus testten, ontdekten de onderzoekers onverwacht dat een koper-titanium legering een van de weinige is die niet edel is, op metaal gebaseerde katalysatoren die water kunnen splitsen in waterstofgas en zuurstof, een proces dat waterstofontwikkeling wordt genoemd. Zowel koper als titanium worden als goedkoop en relatief overvloedig beschouwd in vergelijking met edele metalen, zoals zilver of platina, typisch geschikt voor het werk.

Waterstof wordt momenteel geproduceerd met behulp van wat bekend staat als stoom-methaan-reforming, waar aardgas en hoge temperaturen worden gebruikt om waterstofmoleculen te bevrijden van methaan. Jiao noemt het een "vuil proces", want wanneer het waterstofgas wordt verwijderd, het enige dat overblijft is koolstof, meestal in de vorm van koolstofdioxide.

"Dus, waterstof kun je goedkoop produceren, maar tegen milieukosten:de uitstoot van kooldioxide, " zegt Jiao.

Dit zette Jiao aan het denken over schonere manieren om waterstof te produceren zonder de milieukosten.

schoner, groenere processen

Van koper is bekend dat het goed is in het geleiden van zowel warmte als elektriciteit. Dit is waarom het het materiaal bij uitstek is voor elektrische bedrading in onze huizen, kookgerei, elektronica, motorvoertuigdelen, zelfs onderdelen voor airconditioning en huisverwarming.

Echter, koper alleen is niet effectief in het produceren van waterstof. Maar voeg wat interessante chemie toe - en een heel klein beetje titanium - en er gaat plotseling een wereld van mogelijkheden open om katalysatoren te creëren die hun gewicht trekken en het milieu dienen.

"Met een beetje titanium erin, de koperkatalysator gedraagt ​​zich ongeveer 100 keer beter dan alleen koper, "zei Jiao. Dit komt omdat, when paired together, the two metals create uniquely active sites that help the hydrogen atoms strongly interact with the catalyst surface in a way that is comparable to the performance of much more expensive platinum-based catalysts.

While traditional chemical processes start with fossil fuels, such as coal or gas, and add oxygen to produce various chemicals, Jiao explained, with hydrogen the reverse chemical reaction is possible.

"We can start with the most oxidized form of carbon—carbon dioxide—and add hydrogen to produce the same chemicals, which has a lot of potential for reducing carbon emissions, " said Jiao, who spoke at a U.S. Senate Committee hearing on carbon capture and neutralization in 2018.

The Jiao team performs a life cycle analysis on each process they invent to evaluate the economics of how the technology stacks up against currently accepted methods. They ask themselves questions such as "Is the invention cost-effective? Is it better or worse than existing technology, and how much can be gained by using the process?"

Early results show that a copper-titanium catalyst can produce hydrogen energy from water at a rate more than two times higher than the current state-of-the-art platinum catalyst. Jiao's electrochemical process can operate at near-room temperatures (70 to 176 degrees Fahrenheit), for the most part, te, which increases the catalyst's energy efficiency and can greatly lower the overall capital cost of the system.

Jiao already has filed a patent application on the process with the help of UD's Office of Economic Innovation and Partnerships (OEIP), but he said more work is needed in terms of scaling the process for commercial applications. If they can make it work, the savings would be big—an alternative catalyst that is three orders of magnitude cheaper than the current state-of-the-art platinum-based catalyst.

Future development efforts will focus on ways to increase the size of the water electrolyzer from lab scale to commercial scale. Additional testing of the catalyst's stability also is planned. The researchers are exploring different combinations of metals, te, to find the sweet spot between performance and cost.

"Once you have the technology, you can create jobs around material supply, productie, and once you can build a product, you can commercialize and export it, " zei Jiao.

Feng Jiao and colleagues from Columbia University and Xi'an Jiaotong University recently reported their latest findings in an article in ACS Katalyse , a journal of the American Chemical Society. His colleague at Columbia University is Jingguang Chen, a former professor in UD's Department of Chemical and Biomolecular Engineering.