Een onderzoeksteam bestaande uit NIMS en het Tokyo Institute of Technology heeft materialen geïdentificeerd die de omzetting van ortho-waterstof in para-waterstof kunnen katalyseren. Deze katalysatoren zouden essentieel moeten zijn voor de verspreiding van massatransport/opslag van vloeibare waterstof. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Exploration .

Waterstof wordt steeds meer geaccepteerd als alternatieve energiebron voor fossiele brandstoffen. Door het vloeibaar maken ervan (bij temperaturen onder -253°C en een druk hoger dan één atmosfeer) kan het volume ervan dramatisch afnemen, waardoor het geschikt wordt voor transport en opslag. Waterstofmoleculen (H₂ ) – elk samengesteld uit twee waterstofatomen – bestaan ​​in twee isomere vormen:ortho- en para-H₂ .

Onder normale omstandigheden ortho- en para-H₂ zijn aanwezig in een verhouding van 3:1, met ortho-H₂ iets energetisch onstabieler dan para-H₂ . Geleidelijk afkoelen H₂ de vloeibaarmakingstemperatuur veroorzaakt alle ortho-H₂ om te zetten naar para-H₂ , waarbij stabiele vloeistof H₂ wordt geproduceerd .

Snelle afkoeling van H₂ onder hoge druk (nodig voor vloeibaarmaking) vertraagt ​​de ortho-naar-para-omzetting tijdens het koelproces, waardoor aanzienlijke hoeveelheden ortho-H₂ achterblijven in de vloeistof H₂ geproduceerd. De resterende ortho-H₂ moleculen blijven isomeriseren tot para-H₂ tijdens de opslag, waardoor een gedeeltelijke verdamping van de vloeistof H₂ ontstaat en resulterend in een aanzienlijk verlies van H₂ en energie.

De keuze van de juiste katalysatoren voorafgaand aan het vloeibaarmakingsproces kan dit probleem oplossen vanwege de versnelde ortho-naar-para-omzetting. De bestaande katalysatoren waren echter niet in staat de conversie adequaat te versnellen en het was daarom wenselijk om effectievere katalysatoren te ontwikkelen.

Dit onderzoeksteam evalueerde het vermogen van meer dan 170 vaste materialen, waaronder metalen en ionische kristallen, om ortho-naar-para-conversie te katalyseren. Het team ontdekte dat mangaanoxide (Mn₃ O₄ ) en kobaltoxide (CoO) vertoonden aanzienlijk hogere katalytische prestaties dan conventionele op ijzeroxide gebaseerde katalysatoren. Daarnaast heeft het team belangrijke factoren geïdentificeerd die van invloed zijn op de katalytische activiteiten van deze materialen bij het versnellen van de ortho-naar-para-conversie.

Het vloeibaar maken van waterstof is van cruciaal belang voor het transport van waterstof over zee over lange afstanden, van grote waterstofproducenten/-exporteurs (met name Australië en het Midden-Oosten) naar waterstofimporteurs, zoals Japan.

Verwacht wordt dat de ontwerprichtlijnen voor katalysatoren en hoogwaardige katalysatoren die in dit onderzoeksproject zijn ontwikkeld, Japan enorm zullen helpen vooruit te komen met zijn plan om het concept van de waterstofeconomie in de praktijk te brengen.

Meer informatie: Hideki Abe et al, Onderzoek naar heterogene katalysator voor ortho-para-conversie van moleculair waterstof, Verkenning (2023). DOI:10.1002/EXP.20230040

Aangeboden door het Nationaal Instituut voor Materiaalwetenschappen