Groene waterstof kan worden geproduceerd via waterelektrolysetechnologie, waarbij hernieuwbare energie wordt gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof zonder kooldioxide uit te stoten. De productiekosten van groene waterstof liggen momenteel echter rond de $ 5 per kilogram, wat twee tot drie keer hoger is dan de grijze waterstof die uit aardgas wordt gewonnen.

Voor het praktische gebruik van groene waterstof is innovatie in de waterelektrolysetechnologie nodig voor de realisatie van de waterstofeconomie, vooral voor Korea, waar het gebruik van hernieuwbare energie beperkt is vanwege geografische redenen.

Het onderzoeksteam van Dr. Kyung Joong Yoon bij het Energy Materials Research Center van het Korea Institute of Science and Technology (KIST) heeft een nanokatalysator ontwikkeld voor waterelektrolyse bij hoge temperatuur die een hoge stroomdichtheid van meer dan 1 A/cm kan behouden ² gedurende lange tijd bij temperaturen boven 600°. Het werk is gepubliceerd in het Chemical Engineering Journal .

Hoewel de afbraakmechanismen van nanomaterialen bij hoge temperaturen tot nu toe ongrijpbaar zijn geweest, heeft het team de fundamentele redenen voor abnormaal gedrag van nanomaterialen geïdentificeerd en met succes problemen opgelost, waardoor uiteindelijk de prestaties en stabiliteit in realistische waterelektrolysecellen zijn verbeterd.

De elektrolysetechnologie kan worden ingedeeld in elektrolyse bij lage en hoge temperatuur. Terwijl elektrolyse bij lage temperaturen, werkend bij temperaturen onder 100° Celsius, al lang ontwikkeld is en technologisch volwassener is, biedt elektrolyse bij hoge temperaturen, werkend boven 600° Celsius, een hogere efficiëntie en wordt beschouwd als een technologie van de volgende generatie met een groot potentieel voor verdere kosten. -naar beneden.

De commercialisering ervan wordt echter belemmerd door het gebrek aan thermische stabiliteit en een onvoldoende levensduur als gevolg van degradatie bij hoge temperaturen, zoals corrosie en structurele vervorming. Met name nanokatalysatoren, die op grote schaal worden gebruikt om de prestaties van waterelektrolysatoren op lage temperatuur te verbeteren, gaan snel achteruit bij hoge bedrijfstemperaturen, waardoor het moeilijk wordt om ze effectief te gebruiken voor elektrolyse van water op hoge temperatuur.

Om deze beperking te overwinnen heeft het team een ​​nieuwe synthetische techniek voor nanokatalysatoren ontwikkeld die de vorming van schadelijke verbindingen onderdrukt die degradatie bij hoge temperaturen veroorzaken.

Door de verschijnselen op nanoschaal systematisch te analyseren met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie, hebben de onderzoekers specifieke stoffen geïdentificeerd die ernstige structurele veranderingen veroorzaken, zoals strontiumcarbonaat en kobaltoxide, en deze met succes verwijderd om zeer stabiele nanokatalysatoren te verkrijgen, in termen van chemische en fysische eigenschappen.

Toen het team de nanokatalysator toepaste op een waterelektrolysecel op hoge temperatuur, werd de waterstofproductie ruimschoots verdubbeld en werkte hij meer dan 400 uur bij 650°C zonder degradatie. Deze techniek werd ook met succes toegepast op een praktische waterelektrolysecel met een groot oppervlak, wat het sterke potentieel voor opschaling en commercieel gebruik bevestigt.

"Onze nieuw ontwikkelde nanomaterialen hebben zowel hoge prestaties als stabiliteit bereikt voor de technologie voor waterelektrolyse op hoge temperatuur, en kunnen bijdragen aan het verlagen van de productiekosten van groene waterstof, waardoor het in de toekomst economisch concurrerend wordt met grijze waterstof", aldus dr. Kyungjoong Yoon. van KIST.

"Voor commercialisering zijn we van plan geautomatiseerde verwerkingstechnieken voor massaproductie te ontwikkelen in samenwerking met industriële celfabrikanten."

Meer informatie: Mi Young Park et al., In situ synthese van extreem kleine, thermisch stabiele perovskiet-nanokatalysatoren voor elektrochemische energie-apparaten op hoge temperatuur, Chemical Engineering Journal (2023). DOI:10.1016/j.cej.2023.146924

Journaalinformatie: Tijdschrift voor chemische technologie

Geleverd door de Nationale Onderzoeksraad voor Wetenschap en Technologie