Een schone brandstof uit water halen

Een schone brandstof uit water halen

Tijdstempel: 30 mei 2023 3:43 uur
Bronknooppunt: 2689028
30 mei 2023 (Nanowerk Nieuws) Een overvloed aan schone energie ligt in het zicht op de loer. Het is de waterstof die we uit water kunnen halen (H2O) het gebruik van hernieuwbare energie. Wetenschappers zoeken naar goedkope methoden om schone waterstof uit water te produceren ter vervanging van fossiele brandstoffen, als onderdeel van de zoektocht om klimaatverandering tegen te gaan. Waterstof kan voertuigen aandrijven terwijl het niets anders dan water uitstoot. Waterstof is ook een belangrijke chemische stof voor veel industriële processen, met name bij de staalproductie en de productie van ammoniak. In die industrieën is het gebruik van schonere waterstof zeer gewenst. Een multi-institutioneel team onder leiding van Argonne National Laboratory 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. Dit onderzoek is gepubliceerd in Wetenschap ("La- en Mn-gedoteerde kobalt-spinel-zuurstofevolutiekatalysator voor elektrolyse van protonenuitwisselingsmembraan"). Zuurstofbellen die ontstaan ​​uit vezelachtige, onderling verbonden katalysatordeeltjes (rechts) tijdens een elektrokatalytische reactie met water. Roosterstructuur voor op kobalt gebaseerde katalysator aan de linkerkant. Zuurstofbellen die ontstaan ​​uit vezelachtige, onderling verbonden katalysatordeeltjes (rechts) tijdens een elektrokatalytische reactie met water. Roosterstructuur voor op kobalt gebaseerde katalysator aan de linkerkant. (Afbeelding: Argonne National Laboratory/Lina Chong en Longsheng Wu met behulp van een Shutterstock-achtergrond) "Een proces genaamd elektrolyse produceert waterstof en zuurstof uit water en bestaat al meer dan een eeuw", zegt Di-Jia Liu, senior chemicus bij Argonne. Hij heeft ook een gezamenlijke aanstelling in de Pritzker School of Molecular Engineering aan de Universiteit van Chicago. Proton Exchange Membraan (PEM) elektrolysers vertegenwoordigen een nieuwe generatie technologie voor dit proces. Ze kunnen water splitsen in waterstof en zuurstof met een hogere efficiëntie bij bijna kamertemperatuur. Door de verminderde vraag naar energie zijn ze een ideale keuze voor het produceren van schone waterstof door gebruik te maken van hernieuwbare maar intermitterende bronnen, zoals zon en wind. 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 een huidige marktprijs heeft van ongeveer $ 5,000 per ounce. Het gebrek aan aanbod en de hoge kosten van iridium vormen een belangrijke belemmering voor de wijdverbreide acceptatie van PEM-elektrolyzers. Het hoofdbestanddeel van de nieuwe katalysator is kobalt, dat substantieel goedkoper is dan iridium. "We probeerden een goedkope anodekatalysator te ontwikkelen in een PEM-elektrolyseur die waterstof genereert met een hoge doorvoer en tegelijkertijd een minimum aan energie verbruikt", zei Liu. "Door de op kobalt gebaseerde katalysator te gebruiken die met onze methode is bereid, zou men het belangrijkste knelpunt van kosten voor het produceren van schone waterstof in een elektrolyseur kunnen wegnemen." Giner Inc., een toonaangevend onderzoeks- en ontwikkelingsbedrijf dat werkt aan de commercialisering van elektrolyzers en brandstofcellen, evalueerde de nieuwe katalysator met behulp van zijn PEM-elektrolyzer-teststations onder industriële bedrijfsomstandigheden. De prestaties en duurzaamheid waren veel beter dan die van de katalysatoren van concurrenten. Belangrijk om de prestaties van de katalysator verder te verbeteren, 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 röntgenanalyses te gebruiken bij de Advanced Photon Source (APS) in Argonne. Ze identificeerden ook belangrijke katalysatorkenmerken met behulp van elektronenmicroscopie bij Sandia Labs en bij Argonne's Center 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 DOE's Hydrogen Energy Earthshot-initiatief, dat de VS nabootst ruimteprogramma's "Moon Shot" uit de jaren zestig. Het ambitieuze doel is om de kosten voor 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 een nieuwe vorm kunnen geven. Toepassingen zijn onder meer het elektriciteitsnet, productie, transport en residentiële en commerciële verwarming.

Tijdstempel:

Meer van Nanowerk