Een team van wetenschappers onder leiding van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) hebben de parameters ontdekt die de efficiëntie bepalen van een klasse goedkope katalysatoren die spineloxiden worden genoemd - een ontdekking die een knelpunt doorbreekt bij de extractie van waterstof uit water door middel van elektrolyse, het proces van het splitsen van water met elektriciteit.

Een grote uitdaging van dit proces ligt in het energieverlies als de chemische reacties die betrokken zijn bij de elektrolyse van water plaatsvinden, de kosten voor de productie van waterstof via deze methode opdrijven. Katalysatoren zijn dus nodig om deze chemische reacties te versnellen.

Spinel oxiden, die meestal gemaakt zijn van goedkope overgangsmetalen, hebben de afgelopen jaren belangstelling gekregen als een stabiele, goedkope katalysator die deze uitdaging zou kunnen overwinnen, maar het ontwerp van goed presterende spineloxiden werd gehinderd door het gebrek aan begrip van hoe ze werken.

Nutsvoorzieningen, NTU Singapore's universitair hoofddocent Jason Xu Zhichuan en zijn team hebben twee belangrijke vorderingen gemaakt. Ze hebben ontrafeld, op atomaire schaal, hoe spineloxiden werken om de elektrolyse van water te versnellen. Geprimed met dat nieuwe begrip, het team gebruikte vervolgens machine learning om nieuwe spineloxiden met verhoogde katalytische activiteit te selecteren, waardoor elektrolyse van water efficiënter wordt.

Deze bevindingen brengen het team een ​​stap dichter bij het maken van watersplitsing een geschikte aanpak voor grootschalige productie van waterstofgas, die door de Energy Market Authority is benadrukt als een mogelijk koolstofarm alternatief voor het verkleinen van de koolstofvoetafdruk van Singapore, aangezien het ernaar streeft de piekuitstoot van broeikasgassen tegen 2050 te halveren. Dit is in lijn met de wereldwijde trends:de Europese Unie, bijvoorbeeld, heeft onlangs zijn waterstofstrategie onthuld als een belangrijk onderdeel van de oplossing om de klimaatneutraliteitsdoelstelling voor 2050 van de Europese Green Deal te halen.

Universitair hoofddocent Xu van de NTU School of Materials Sciences and Engineering zei:"Om de prestaties van spineloxiden te verbeteren, we hebben een dieper begrip nodig van hoe ze werken als katalysatoren om de elektrolyse van water efficiënter te maken. Nutsvoorzieningen, door de parameters te identificeren die spineloxiden tot goede katalysatoren voor dit proces maken, we kunnen nieuwe, betere spineloxiden op basis van deze parameters, brengt ons een stap dichter bij een waterstof-aangedreven economie."

De bevindingen zijn gepubliceerd in wetenschappelijk tijdschrift Natuur Katalyse in juli.

Een stap dichter bij een waterstofeconomie

Het winnen van waterstof uit waterelektrolyse, wanneer aangedreven door hernieuwbare energiebronnen zoals wind- of zonne-energie, is een aantrekkelijke manier om waterstofbrandstof te produceren, die het potentieel heeft om fossiele brandstoffen die in elektriciteitscentrales worden gebruikt te vervangen, vervoer, en het bunkerproces.

Waterstof is ook aantrekkelijk als een levensvatbaar alternatief voor traditionele opties voor energieopslag, zoals lithium-ionbatterijen, die in de loop van de tijd geleidelijk hun lading verliezen.

Het waterelektrolyseproces vindt plaats in een elektrolyser, waar twee belangrijke chemische reacties plaatsvinden als water wordt gesplitst:één resulteert in waterstofproductie, terwijl de andere leidt tot zuurstofproductie, en de twee gassen worden gescheiden gehouden door een membraan.

Assoc Prof Xu, die ook deel uitmaakt van NTU's Energy Research Institute, zei dat het belangrijkste knelpunt ligt in de chemische reactie die leidt tot het genereren van zuurstof van de andere kant, bekend als de zuurstofrevolutiereactie.

Hij zei:"De reactie van zuurstofontwikkeling is van cruciaal belang voor de efficiëntie van apparaten die water splitsen om waterstofbrandstof te produceren. maar het is ook een trage chemische reactie die de algehele energieomzettingsefficiëntie verlaagt. Daarom hebben we katalysatoren zoals metaaloxiden nodig om de zaken te versnellen."

Hoewel edelmetaaloxiden hebben bewezen state-of-the-art katalysatoren te zijn die het energieverbruik verminderen en de energieconversie-efficiëntie verbeteren, hun schaarste, hoge kosten en slechte duurzaamheid hebben hun toepassing op grote schaal beperkt.

Spinel oxiden, met hun lage kosten en beschikbaarheid in overvloed, een levensvatbaar alternatief kunnen worden als ze met de juiste parameters zijn ontworpen, zoals het type overgangsmetaal in het spineloxide, om de katalytische activiteit te verhogen, zei Assoc Prof Xu.

Op basis van de belangrijkste parameters die het team had geïdentificeerd, het team trainde een machine learning-model met een dataset van meer dan 300 spineloxiden om de efficiëntie van elke spineloxidekatalysator in een kwestie van seconden te screenen en te voorspellen.

Met behulp van deze methode, het team ontdekte dat voorspeld werd dat een nieuw oxide bestaande uit mangaan en aluminium superieure katalytische activiteit zou vertonen. Dit werd experimenteel gevalideerd.

Assoc Prof Xu zei:"Hoewel het vermogen om zeer efficiënte katalysatoren te ontwerpen de techniek van waterelektrolyse bij de productie van waterstof enorm vooruithelpt, er zijn nog twee andere grote knelpunten waar we naar moeten kijken voordat wijdverbreide toepassing van deze techniek mogelijk is. Ten eerste, we moeten het membraan in dergelijke alkalische elektrolysers verbeteren om de waterstofproductie op lange termijn te ondersteunen. Als dat klaar is, dan kunnen we samenwerken met onze technische collega's om te zien hoe we al deze upgrades kunnen omzetten in een elektrolyser die op industrieel niveau kan functioneren."