Onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University hebben voor het eerst aangetoond dat een goedkope katalysator water kan splitsen en urenlang waterstofgas kan genereren in de ruwe omgeving van een commercieel apparaat.

De elektrolysetechnologie, die is gebaseerd op een polymeer elektrolytmembraan (PEM), heeft potentieel voor grootschalige waterstofproductie aangedreven door hernieuwbare energie, maar het is gedeeltelijk tegengehouden door de hoge kosten van de edelmetaalkatalysatoren, zoals platina en iridium, nodig om de efficiëntie van de chemische reacties te verhogen.

Deze studie wijst de weg naar een goedkopere oplossing, rapporteerden de onderzoekers vandaag in Natuur Nanotechnologie .

"Waterstofgas is een enorm belangrijke industriële chemische stof voor het maken van brandstof en kunstmest, onder andere, " zei Thomas Jaramillo, directeur van het SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, die het onderzoeksteam leidde. "Het is ook een schone, molecuul met een hoog energiegehalte dat kan worden gebruikt in brandstofcellen of om energie op te slaan die wordt gegenereerd door variabele energiebronnen zoals zon en wind. Maar de meeste waterstof die tegenwoordig wordt geproduceerd, is gemaakt met fossiele brandstoffen, toe te voegen aan het CO2-gehalte in de atmosfeer. We hebben een kosteneffectieve manier nodig om het met schone energie te produceren."

Van prijzig metaal tot goedkoop, overvloedige materialen

Er is door de jaren heen uitgebreid gewerkt aan de ontwikkeling van alternatieven voor edelmetaalkatalysatoren voor PEM-systemen. Van velen is aangetoond dat ze in een laboratoriumomgeving werken, maar Jaramillo zei dat voor zover hij weet dit de eerste is die hoge prestaties laat zien in een commerciële elektrolyseur. Het apparaat is vervaardigd door een PEM-elektrolyse-onderzoekssite en fabriek in Connecticut voor Nel Hydrogen, 's werelds oudste en grootste fabrikant van elektrolyseapparatuur.

Elektrolyse werkt net als een omgekeerde batterij:in plaats van elektriciteit op te wekken, het gebruikt elektrische stroom om water te splitsen in waterstof en zuurstof. De reacties die waterstof en zuurstofgas genereren, vinden plaats op verschillende elektroden met verschillende edelmetaalkatalysatoren. In dit geval, het Nel Hydrogen-team verving de platinakatalysator aan de waterstofgenererende kant door een katalysator bestaande uit kobaltfosfide-nanodeeltjes afgezet op koolstof om een ​​fijn zwart poeder te vormen, die werd geproduceerd door de onderzoekers van SLAC en Stanford. Net als andere katalysatoren, het brengt andere chemicaliën bij elkaar en moedigt ze aan om te reageren.

De kobaltfosfidekatalysator functioneerde buitengewoon goed gedurende de gehele test, meer dan 1, 700 uur - een indicatie dat het winterhard genoeg kan zijn voor dagelijks gebruik bij reacties die kunnen plaatsvinden bij verhoogde temperaturen, druk en stroomdichtheden en in extreem zure omstandigheden gedurende langere tijd, zei McKenzie Hubert, een afgestudeerde student in Jaramillo's groep die de experimenten leidde met Laurie King, een SUNCAT-onderzoeksingenieur die sindsdien is toegetreden tot de faculteit van de Manchester Metropolitan University.

"Onze groep bestudeert deze katalysator en aanverwante materialen al een tijdje, "Hubert zei, "en we namen het van een fundamentele laboratoriumschaal, experimentele fase door het te testen onder industriële bedrijfsomstandigheden, waar je een veel groter oppervlak met de katalysator moet bestrijken en het onder veel meer uitdagende omstandigheden moet functioneren."

One of the most important elements of the study was scaling up the production of the cobalt phosphide catalyst while keeping it very uniform—a process that involved synthesizing the starting material at the lab bench, grinding with a mortar and pestle, baking in a furnace and finally turning the fine black powder into an ink that could be sprayed onto sheets of porous carbon paper. The resulting large-format electrodes were loaded into the electrolyzer for the hydrogen production tests.

Producing hydrogen gas at scale

While the electrolyzer development was funded by the Defense Department, which is interested in the oxygen-generating side of electrolysis for use in submarines, Jaramillo said the work also aligns with the goals of DOE's H2@Scale initiative, which brings DOE labs and industry together to advance the affordable production, vervoer, storage and use of hydrogen for a number of applications, and the fundamental catalyst research was funded by the DOE Office of Science.

Katherine Ayers, vice president for research and development at Nel and a co-author of the paper, zei, "Working with Tom gave us an opportunity to see whether these catalysts could be stable for a long time and gave us a chance to see how their performance compared to that of platinum.

"The performance of the cobalt phosphide catalyst needs to get a little bit better, and its synthesis would need to be scaled up, " she said. "But I was quite surprised at how stable these materials were. Even though their efficiency in generating hydrogen was lower than platinum's, it was constant. A lot of things would degrade in that environment."

While the platinum catalyst represents only about 8 percent of the total cost of manufacturing hydrogen with PEM, the fact that the market for the precious metal is so volatile, with prices swinging up and down, could hold back development of the technology, Ayers said. Reducing and stabilizing that cost will become increasingly important as other aspects of PEM electrolysis are improved to meet the increasing demand for hydrogen in fuel cells and other applications.