De ontwikkeling van nieuwe, efficiëntere elektrochemische cellen zou een goede optie kunnen zijn voor koolstofvrije waterstof- en chemische productie, naast grootschalige elektriciteitsopwekking en -opslag.

Maar eerst moeten wetenschappers verschillende uitdagingen overwinnen, waaronder hoe ze de cellen efficiënter en kosteneffectiever kunnen maken.

Onlangs heeft een onderzoeksteam onder leiding van het Idaho National Laboratory een eenvoudig proces gebruikt om materialen steviger te binden in protonische keramische elektrochemische cellen, ook bekend als PCEC's, om een ​​mysterie op te lossen dat de prestaties van de technologie had beperkt. De resultaten zijn gepubliceerd in het laatste nummer van Nature . Dit is het eerste door INL geleide onderzoekspaper dat in bijna 30 jaar in dat tijdschrift is gepubliceerd.

Het team omvatte onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology, de New Mexico State University en de University of Nebraska-Lincoln.

Net zoals oplaadbare batterijen chemie gebruiken om elektriciteit op te slaan voor later gebruik, kunnen PCEC's overtollige elektriciteit en water omzetten in waterstof. PCEC's kunnen ook omgekeerd werken en waterstof omzetten in elektriciteit. De technologie maakt gebruik van kristallijne materialen, perovskieten genaamd, die goedkoop zijn en bij een breed temperatuurbereik kunnen werken.

Onderzoekers in de VS ontwikkelen de elektrochemische cellen voornamelijk voor waterstofopwekking, maar ook voor verschillende andere toepassingen. De waterstof die door deze cellen wordt geproduceerd, kan ook worden gebruikt als brandstof voor warmte, voertuigen, chemische productie of andere toepassingen.

In theorie zouden PCEC's efficiënter moeten werken bij een groter temperatuurbereik dan vergelijkbare typen elektrochemische cellen. Maar tot nu toe konden onderzoekers het theoretische potentieel van de technologie niet bereiken.

"PCEC's zouden goed moeten presteren vanwege hun hoge geleidbaarheid en kleine activeringsenergie", zegt Dong Ding, een vooraanstaande ingenieur/wetenschapper bij INL. "Toch hebben we geconstateerd dat hun huidige prestaties lager zijn dan we hadden verwacht, en ons team bij INL is sinds 2017 toegewijd aan het begrijpen waarom."

Het team probeerde het mysterie op te lossen door te meten hoe goed protonen (positief geladen waterstofatomen) over de elektrode/elektrolyt-interface stroomden. En ja hoor, de interface was het probleem. Wei Wu, een materiaaltechnisch onderzoeker bij INL, vermoedde met name dat de elektrode en de elektrolyt niet strak genoeg waren gebonden.

Ding en zijn collega's gebruikten een eenvoudige zuurbehandeling om de elektrode aan de elektrolyt te binden, waardoor een efficiëntere energieoverdracht mogelijk werd. "De eenvoudige zuurbehandeling kan het oppervlak van de PCEC verjongen, zodat het maximale prestaties kan bereiken", zegt Wenjuan Bian, een postdoctoraal onderzoeker en primaire medewerker aan dit project. "Deze aanpak kan gemakkelijk worden opgeschaald en geïntegreerd voor de productie van grote cellen en stapels"

Bij nader onderzoek ontdekten de onderzoekers dat de zuurbehandeling het contactoppervlak tussen de elektrode en de elektrolyt vergroot, waardoor het oppervlak op ongeveer dezelfde manier wordt opgeruwd als een pottenbakker de vochtige klei van een kopje zou opruwen voordat hij het handvat vastmaakte.

Het grotere oppervlak veroorzaakte een strakkere binding tussen elektrode en elektrolyt, wat een efficiëntere stroom van waterstofatomen mogelijk maakte. Bovendien verbeterde de celstabiliteit aanzienlijk, vooral onder bepaalde extreme omstandigheden.

Dit proces zou de deuren kunnen openen voor tal van 'schone en groene waterstof'-toepassingen, zei Wu.

"Dankzij de goed presterende PCEC kunnen we de bedrijfstemperatuur tot 350 ° C verlagen", zei Ding. "Verlaagde bedrijfstemperatuur maakt goedkopere materialen mogelijk voor grootschalige assemblage, inclusief de stapel. Belangrijker is dat de technologie binnen hetzelfde temperatuurbereik werkt als verschillende belangrijke, huidige industriële processen, waaronder ammoniakproductie en CO₂ vermindering. Het afstemmen van deze temperaturen zal de acceptatie van de technologie binnen de bestaande industrie versnellen. In feite versnellen we de opschaling van deze cellen bij INL, door deze technologie te integreren in onze productieprocessen." + Ontdek verder

Verdere elektrolyse bij hoge temperatuur:water splitsen om energie op te slaan als waterstof