Onderzoekers van de Northwestern University hebben een zeer effectieve, milieuvriendelijke methode om ammoniak om te zetten in waterstof. Geschetst in een recente publicatie in het tijdschrift Joule , de nieuwe techniek is een grote stap voorwaarts om een ​​nulvervuiling mogelijk te maken, waterstof aangedreven economie.

Het idee om ammoniak te gebruiken als drager voor de levering van waterstof heeft de laatste jaren aan populariteit gewonnen, omdat ammoniak veel gemakkelijker vloeibaar te maken is dan waterstof en daardoor veel gemakkelijker op te slaan en te transporteren. De technologische doorbraak van Northwestern overwint verschillende bestaande barrières voor de productie van schone waterstof uit ammoniak.

"De vloek voor waterstofbrandstofcellen is het gebrek aan leveringsinfrastructuur, " zei Sossina Haile, hoofdauteur van de studie. "Het is moeilijk en duur om waterstof te vervoeren, maar er bestaat al een uitgebreid ammoniakafgiftesysteem. Daar zijn pijpleidingen voor. We leveren veel ammoniak over de hele wereld voor kunstmest. Als je ons ammoniak geeft, de elektrochemische systemen die we hebben ontwikkeld, kunnen die ammoniak omzetten in klaar voor brandstofcellen, schone waterstof ter plaatse op elke schaal."

Haile is Walter P. Murphy hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Northwestern's McCormick School of Engineering met aanvullende aanstellingen in toegepaste natuurkunde en scheikunde. Daarnaast is ze mededirecteur van het University-wide Institute for Sustainability and Energy van Northwestern.

In de studie, Haile en haar onderzoeksteam melden dat ze de omzetting van ammoniak naar waterstof kunnen uitvoeren met behulp van hernieuwbare elektriciteit in plaats van fossiele energie, omdat het proces bij veel lagere temperaturen werkt dan traditionele methoden (250 graden Celsius in plaats van 500 tot 600 graden Celsius). Celsius). Tweede, de nieuwe techniek genereert pure waterstof die niet hoeft te worden gescheiden van ongereageerde ammoniak of andere producten. Derde, het proces is efficiënt omdat alle elektrische stroom die aan het apparaat wordt geleverd direct waterstof produceert, zonder enig verlies aan parasitaire reacties. Als bijkomend voordeel, omdat de geproduceerde waterstof zuiver is, het kan direct onder druk worden gezet voor opslag met een hoge dichtheid door simpelweg de elektrische stroom op te voeren.

Om de conversie te realiseren, de onderzoekers bouwden een unieke elektrochemische cel met een protongeleidend membraan en integreerden deze met een ammoniaksplitsende katalysator.

"De ammoniak ontmoet eerst de katalysator die het splitst in stikstof en waterstof, Haile zei. "Dat waterstof wordt onmiddellijk omgezet in protonen, die vervolgens elektrisch over het protongeleidende membraan in onze elektrochemische cel worden gedreven. Door voortdurend de waterstof af te trekken, we stimuleren de reactie om verder te gaan dan anders het geval zou zijn. Dit staat bekend als het principe van Le Chatelier. Door een van de producten van de ammoniaksplitsingsreactie te verwijderen, namelijk de waterstof, duwen we de reactie naar voren, dan wat de ammoniaksplitsende katalysator alleen kan doen."

De waterstof die vrijkomt bij de ammoniaksplitsing kan dan worden gebruikt in een brandstofcel. Zoals batterijen, brandstofcellen produceren elektrische energie door energie die door chemische reacties wordt geproduceerd om te zetten. In tegenstelling tot batterijen, brandstofcellen kunnen elektriciteit produceren zolang brandstof wordt geleverd, nooit hun lading verliezen. Waterstof is een schone brandstof die, wanneer verbruikt in een brandstofcel, produceert water als het enige bijproduct. Dit in tegenstelling tot fossiele brandstoffen, die klimaatveranderende broeikasgassen produceren, zoals koolstofdioxide, methaan en lachgas.

Haile voorspelt dat de nieuwe technologie vooral transformatief kan zijn in de transportsector. in 2018, het verkeer van mensen en goederen door auto's, vrachtwagens, treinen, schepen, vliegtuigen en andere voertuigen waren verantwoordelijk voor 28% van de uitstoot van broeikasgassen in de VS - meer dan enige andere economische sector volgens de Environmental Protection Agency.

"Auto's op batterijen zijn geweldig, maar er is zeker een kwestie van assortiment en materiaalvoorziening, "Zei Haile. "Als je ammoniak ter plaatse en op een gedistribueerde manier omzet in waterstof, kun je een tankstation binnenrijden en waterstof onder druk krijgen voor je auto. Er is ook een groeiende interesse voor waterstofbrandstofcellen voor de luchtvaartindustrie omdat batterijen zo zwaar zijn."

Haile en haar team hebben door de jaren heen grote stappen gemaakt op het gebied van brandstofcellen. Als volgende stap in hun werk, ze onderzoeken nieuwe methoden om op een milieuvriendelijke manier ammoniak te produceren.