Argonne National Laboratory is een pionier op het gebied van een goedkope, op kobalt gebaseerde katalysator die de efficiënte waterstofextractie uit water stimuleert. Deze innovatie is een belangrijke stap in de richting van het bereiken van de doelstelling van het DOE om de productiekosten voor groene waterstof aanzienlijk te verlagen.

Een nieuwe katalysator verlaagt de kosten die gepaard gaan met het genereren van ecologisch duurzame waterstof uit water.

Een overvloedig aanbod van schone energie ligt op de loer. Het is de waterstof die uit water kan worden gewonnen (H₂O) gebruik van hernieuwbare energie. Onderzoekers zijn op zoek naar kosteneffectieve strategieën om schone waterstof uit water te genereren, met als doel fossiele brandstoffen te verdringen en de klimaatverandering tegen te gaan.

Waterstof is een krachtige energiebron voor voertuigen en stoot niets anders uit dan water. Het speelt ook een cruciale rol in verschillende industriële processen, met name bij de productie van staal en ammoniak. Het gebruik van schonere waterstof in deze industrieën zou buitengewoon gunstig zijn.

Een multi-institutioneel team onder leiding van de Het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) Nationaal laboratorium van Argonne heeft een goedkope katalysator ontwikkeld voor een proces dat schone waterstof uit water oplevert. Andere bijdragers zijn onder meer DOE's Sandia National Laboratories en Lawrence Berkeley National Laboratory, evenals Giner Inc.

“Een proces dat elektrolyse wordt genoemd, produceert waterstof en zuurstof uit water en bestaat al meer dan een eeuw”, zegt Di-Jia Liu, senior scheikundige bij Argonne. Hij heeft ook een gezamenlijke aanstelling bij de Pritzker School of Molecular Engineering aan de Universiteit van New York University of Chicago.

Elektrolyzers met protonenuitwisselingsmembraan (PEM) vertegenwoordigen een nieuwe generatie technologie voor dit proces. Ze kunnen water met een hogere efficiëntie splitsen in waterstof en zuurstof bij bijna kamertemperatuur. De verminderde vraag naar energie maakt ze een ideale keuze voor de productie van schone waterstof door gebruik te maken van hernieuwbare maar intermitterende bronnen, zoals zonne- en windenergie.

Senior chemicus Di-Jia Liu inspecteert een katalysatormonster in een buisoven na warmtebehandeling, terwijl postdoc Chenzhao Li een drukreactor bij zich draagt ​​voor de katalysatorsynthese. Krediet: Argonne Nationaal Laboratorium

Deze elektrolyseur werkt met afzonderlijke katalysatoren voor elk van zijn elektroden (kathode en anode). De kathodekatalysator levert waterstof op, terwijl de anodekatalysator zuurstof vormt. Een probleem is dat de anodekatalysator iridium gebruikt, dat op dit moment een marktprijs heeft van ongeveer $5,000 per ounce. Het gebrek aan aanbod en de hoge kosten van iridium vormen een grote belemmering voor de wijdverbreide acceptatie van PEM-elektrolysatoren.

Het belangrijkste ingrediënt in de nieuwe katalysator is kobalt, dat aanzienlijk goedkoper is dan iridium. “We probeerden een goedkope anodekatalysator te ontwikkelen in een PEM-elektrolysator die waterstof met een hoge doorvoer genereert en tegelijkertijd minimale energie verbruikt”, aldus Liu. “Door gebruik te maken van de op kobalt gebaseerde katalysator die volgens onze methode is bereid, zou men het belangrijkste kostenprobleem voor de productie van schone waterstof in een elektrolysator kunnen wegnemen.”

Giner Inc., een toonaangevend onderzoeks- en ontwikkelingsbedrijf dat zich inzet voor de commercialisering van elektrolyzers en brandstofcellen, evalueerde de nieuwe katalysator met behulp van zijn PEM-elektrolyseteststations onder industriële bedrijfsomstandigheden. De prestaties en duurzaamheid overtroffen ruimschoots die van de katalysatoren van de concurrentie.

Belangrijk voor het verder verbeteren van de prestaties van de katalysator is het begrijpen van het reactiemechanisme op atomaire schaal onder bedrijfsomstandigheden van de elektrolyseur. Het team ontcijferde kritische structurele veranderingen die optreden in de katalysator onder bedrijfsomstandigheden door gebruik te maken van röntgenanalyses bij de Advanced Photon Source (APS) in Argonne. Ze identificeerden ook de belangrijkste katalysatorkenmerken met behulp van elektronenmicroscopie bij Sandia Labs en bij Argonne's Centre for Nanoscale Materials (CNM). De APS en CNM zijn beide DOE Office of Science-gebruikersfaciliteiten.

"We hebben de atomaire structuur op het oppervlak van de nieuwe katalysator in verschillende stadia van voorbereiding in beeld gebracht", zegt Jianguo Wen, een materiaalwetenschapper van Argonne.

Bovendien onthulde computermodellering bij Berkeley Lab belangrijke inzichten in de duurzaamheid van de katalysator onder reactieomstandigheden.

De prestatie van het team is een stap voorwaarts in het Hydrogen Energy Earthshot-initiatief van DOE, dat de ‘Moon Shot’ van het Amerikaanse ruimteprogramma uit de jaren zestig nabootst. Het ambitieuze doel is om de kosten van de productie van groene waterstof binnen tien jaar te verlagen tot één dollar per kilogram. De productie van groene waterstof tegen die prijs zou de economie van het land kunnen hervormen. Toepassingen zijn onder meer het elektriciteitsnet, productie, transport en verwarming van woningen en bedrijven.

nul

“Meer in het algemeen tonen onze resultaten een veelbelovende weg voorwaarts in het vervangen van katalysatoren gemaakt van dure edelmetalen door elementen die veel goedkoper en overvloediger zijn,” merkte Liu op.

Referentie: "La- en Mn-gedoteerde kobaltspinel-zuurstofevolutiekatalysator voor elektrolyse van protonenuitwisselingsmembraan" door Lina Chong, Guoping Gao, Jianguo Wen, Haixia Li, Haiping Xu, Zach Green, Joshua D. Sugar, A. Jeremy Kropf, Wenqian Xu, Xiao-Min Lin, Hui Xu, Lin-Wang Wang en Di-Jia Liu, 11 mei 2023, Wetenschap.
DOI: 10.1126/science.ade1499

Het onderzoek werd ondersteund door het DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office, evenals door Argonne Laboratory Directed Research and Development-financiering.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. Automotive / EV's, carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• ChartPrime. Verhoog uw handelsspel met ChartPrime. Toegang hier.
• BlockOffsets. Eigendom voor milieucompensatie moderniseren. Toegang hier.
• Bron: https://genesisnanotech.wordpress.com/2023/09/10/extracting-clean-fuel-from-water-using-a-new-generation-technology-proton-exchange-membrane-and-a-groundbreaking-low-cost-catalyst-cobalt-argonne-national-laboratory/