Wetenschap
Nieuwe katalysator versnelt de afgifte van waterstof uit ammoniak
Duitsland kan waarschijnlijk alleen aan de vraag naar klimaatvriendelijke waterstof voldoen door import uit bijvoorbeeld Zuid-Amerika of Australië. Voor dergelijk transport over lange afstanden kan waterstof worden omgezet in ammoniak.
Om het vrijkomen van de waterstof daarna te vergemakkelijken, hebben onderzoekers van het Instituut voor Anorganische Chemie van de Universiteit van Kiel (CAU) en hun samenwerkingspartners een actievere en kosteneffectievere katalysator ontwikkeld. De resultaten zijn verkregen als onderdeel van het waterstofvlaggenschipproject TransHyDE en zijn onlangs gepubliceerd in Nature Communications .
De mogelijkheid om energie uit wind- of zonne-energie op te slaan speelt een sleutelrol in de energietransitie. “Het opslaan van energie in de vorm van chemische verbindingen zoals waterstof heeft veel voordelen. De energiedichtheid is hoog en ook de chemische industrie heeft voor veel processen waterstof nodig”, zegt Malte Behrens, hoogleraar anorganische chemie aan de Universiteit van Kiel. Bovendien kan "groene waterstof" worden geproduceerd door elektrolyse met behulp van elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen zonder CO2 te produceren .
Infrastructuur voor ammoniak bestaat al
Maar waterstof rechtstreeks transporteren vanuit gebieden waar wind- en zonne-energie goedkoop zijn, is niet eenvoudig. Een interessant alternatief is de chemische omzetting in ammoniak. Ammoniak zelf bevat een relatief grote hoeveelheid waterstof en er bestaat al een goed ontwikkelde infrastructuur voor het overzeese transport.
"Ammoniak kan gemakkelijk vloeibaar worden gemaakt voor transport, wordt al op megatonschaal geproduceerd en wereldwijd verscheept en verhandeld", zegt Dr. Shilong Chen, leider van het Kiel-deelproject in het TransHyDE-project "AmmoRef."
De twee wetenschappers uit het prioritaire onderzoeksgebied van de CAU, KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science), werken samen met collega's uit Berlijn, Essen, Karlsruhe en Mülheim/Ruhr. Samen onderzoeken ze hoe waterstof na transport katalytisch vrij kan komen uit ammoniak. Hun nieuw ontwikkelde katalysator versnelt deze reactie aanzienlijk.
AmmoRef is een van de tien TransHyDE-projecten. Wetenschappers van in totaal acht instellingen werken aan verschillende deelprojecten om waterstoftransporttechnologieën te verbeteren. De resultaten worden verwerkt in de aanbevelingen voor de nationale waterstofinfrastructuur.
Metaalcombinatie maakt de katalysator zeer actief
“Een katalysator versnelt een chemische reactie en is daarmee direct verantwoordelijk voor de efficiëntie van chemische processen en de energieomzetting”, legt Behrens uit. Hoe sneller het ammoniakreformingproces plaatsvindt, hoe lager de conversieverliezen veroorzaakt door de chemische opslag van waterstof in ammoniak.
"Onze katalysator heeft twee speciale kenmerken", zegt Chen. "Ten eerste is het gemaakt van de relatief goedkope basismetalen ijzer en kobalt. Ten tweede hebben we een speciaal syntheseproces ontwikkeld dat een zeer hoge metaalbelading van deze katalysator mogelijk maakt."
Tot 74% van het materiaal bestaat uit actieve metalen nanodeeltjes, die zo tussen de steundeeltjes zijn gerangschikt dat er holtes op nanoschaal ontstaan, die eruit zien als een poreuze metalen nanospons. "De combinatie van de twee metalen in een legering is ook cruciaal", legt Behrens uit. Op zichzelf zijn beide metalen minder katalytisch actief. Door de combinatie ontstaan zeer actieve bimetaaloppervlakken met eigenschappen die anders alleen bekend zijn van veel duurdere edelmetalen.
“We zullen deze katalysator blijven onderzoeken in het AmmoRef-consortium, waarbij ook industriële bedrijven betrokken zijn, en deze overbrengen van fundamenteel onderzoek naar toepassing”, zegt Behrens, die de volgende stappen aankondigt. Daartoe zal het team in Kiel nu werken aan het opschalen van de synthese.