24 juni 2022 (Nanowerk Nieuws) Een team van chemici bij RIKEN heeft een mangaan- en kobaltoxide-elektrokatalysator gemaakt die een belangrijke stap voorwaarts betekent in de betaalbare productie van schonere waterstofbrandstoffen. Waterstof kan worden gemaakt met behulp van elektriciteit die een chemische reactie veroorzaakt om water te splitsen in de samenstellende elementen: zuurstof en waterstof. "Een van de grootste hindernissen bij het genereren van waterstof op industriële schaal was het vinden van een geschikte katalysator voor de zuurstofontwikkelingsreactie aan een van de elektroden van dit productiesysteem", legt Ailong Li uit, die mede-leider was van het onderzoek aan het RIKEN Centre for Sustainable Hulpbronnen wetenschap. De moeilijkheid, legt hij uit, is het vinden van een elektrokatalysator die een hoge activiteit heeft, maar ook bestand is tegen de zure omstandigheden waaronder de reactie plaatsvindt. Deze nieuwste katalysator is gemaakt van betaalbare materialen en is maandenlang stabiel in zuur terwijl hij zeer actief blijft1, zegt Li. 'Groene waterstof' wordt gemaakt met hernieuwbaar zonlicht of windenergie om de elektriciteit op te wekken die water splitst. Het zou de wereldwijde uitstoot van koolstofdioxide enorm kunnen verminderen als het op industriële schaal fossiele brandstoffen zou vervangen, zegt Shuang Kong, die de studie mede leidde. En wanneer waterstof vervolgens wordt verbrand om energie te produceren, verandert het weer in water, waardoor het een echt vervuilingsvrije brandstof wordt. Het International Renewable Energy Agency, een intergouvernementele organisatie die landen ondersteunt bij hun transitie naar duurzame energie, voorspelt dat opwekking van groene waterstof op grote schaal een kostenconcurrerende optie kan worden binnen het komende decennium. Ze noemen het "een doorbraak op weg naar COXNUMX-neutraliteit".

[Ingesloten inhoud]

Deze video laat gasbellen zien die worden geproduceerd door waterelektrolyse met behulp van een nieuwe gemengde kobalt-mangaan-elektrokatalysator. In tegenstelling tot de huidige standaardmethoden is deze katalysator niet gemaakt van zeldzame aardmetalen, waardoor het een duurzamere optie is.

Betaalbaar actief

Hoewel er al elektrokatalysatoren bestaan ​​die zowel aan de voorwaarden van stabiliteit als activiteit voldoen, hebben ze allemaal één nadeel: ze bevatten een van de meest schaarse elementen op aarde: iridium. Aangezien de wereldwijde productie van iridium slechts zeven ton per jaar bedraagt ​​(om dat in perspectief te plaatsen: in 170 werd 2020 ton platina, dat als een zeldzaam metaal wordt beschouwd, gedolven), zou het genereren van de terawatt-niveaus groene waterstof die nodig zijn voor industrieel gebruik vier decennia van 's werelds iridium nodig hebben. Vervolgens ontdekten Li en zijn collega's in een onderzoek uit 2019 dat mangaanoxide een uitstekende stabiliteit in zuur vertoonde voor het katalyseren van de zuurstofontwikkelingsreactie2. Nu hebben ze aangetoond dat, door mangaan op te nemen in kobaltoxide - een andere elektrokatalysator - om een ​​gemengd oxide te produceren, het mogelijk is om de levensduur van de elektrokatalysator in sterk zuur met een factor 100 te verlengen zonder dat dit ten koste gaat van de activiteit. Hierdoor duurt de levensduur van iridiumvrije elektrokatalysatoren van slechts enkele dagen of weken tot langer dan twee maanden. Li was opgewonden toen hij de elektrokatalysator voor het eerst in actie zag. "Onze elektrokatalysator was erg actief", zegt Li. "Zelfs voordat we de metingen deden, was het een prachtig gezicht om te zien hoe het een cascade van bellen veroorzaakte." Het mangaan geeft stabiliteit aan de elektrokatalysator, terwijl het kobalt het oxide zijn hoge activiteit geeft. Kong beschrijft mangaan als "de katalysator van de natuur voor wateroxidatie". Het team ontdekte dat het optimale mengsel twee atomen kobalt voor elk mangaan was. Belangrijk is dat zowel mangaan als kobalt veel overvloediger voorkomen dan iridium: de wereldwijde jaarlijkse productie van mangaan is meer dan 60,000 keer groter dan die van iridium en het is het vijfde meest voorkomende metaal in de aardkorst.

Schone, groene industriële droom

Er is nog ruimte voor verbetering in de levensduur van de katalysator. Hoewel de activeringsbarrière van het gemengde oxide vergelijkbaar is met die van iridiumoxiden, kunnen iridiumkatalysatoren tientallen jaren meegaan voordat ze moeten worden vervangen. Maar Li wordt aangemoedigd door de opmars. "Op de lange termijn geloven we dat dit een enorme stap is in de richting van een duurzame waterstofeconomie", zegt hij. Waterstof, voegt hij eraan toe, is ook een belangrijke industriële chemische stof die wordt gebruikt om ammoniak te produceren, een belangrijk onderdeel van kunstmest. Het huidige industriële proces voor de productie van ammoniak is zeer energie-intensief en maakt gebruik van fossiele brandstoffen: het is verantwoordelijk voor bijna 2% van de wereldwijde uitstoot van koolstofdioxide. Groene ammoniak geproduceerd uit groene waterstof kan helpen om deze uitstoot terug te dringen. Een vroege inspiratie, zegt Kong, was een toespraak uit 2004 van Nobelprijswinnaar Richard Smalley, waarin Smalley een toekomst beschrijft waarin biljoenen watt (terawatt) aan hernieuwbare energie wordt opgewekt om de industrie aan te drijven in plaats van fossiele brandstoffen te verbranden. Vooruitkijkend ziet Li veel manieren om hun elektrokatalysator te verbeteren en groene waterstof efficiënter te produceren. "Er zijn zoveel wegen die we kunnen volgen om deze techniek vooruit te helpen", zegt hij. “Naast het verbeteren van de elektrokatalysator kunnen we ook het watersplitsende membraan verbeteren dat soms wordt gebruikt.” Li wijst erop dat als je te maken hebt met die waterstofproductie op terawatt-schaal, zelfs een kleine verhoging van de efficiëntie grote voordelen kan opleveren. "Slechts 1% meer efficiëntie in de grootschalige industrie van vandaag kan 88 miljard kilowattuur per jaar besparen en de uitstoot van kooldioxide met 34 miljoen ton verminderen."

Referentie

Li, A., Kong, S., Guo, C., Ooka, H., Adachi, K., Hashizume, D., Jiang, Q., Han, H., Xiao, J. & Nakamura, R. Verbetering de stabiliteit van kobalt-spineloxide in de richting van duurzame zuurstofontwikkeling in zuur. Natuur Katalyse 5 109–118 (2022). doi: 10.1038/s41929-021-00732-9 Li, A., Ooka, H., Bonnet, N., Hayashi, T., Sun, Y., et al. Stabiele potentiële vensters voor langdurige elektrokatalyse door mangaanoxiden onder zure omstandigheden. Angewandte Chemie 58 15054-5058. doi: 10.1002/anie.201813361