Innovatieve katalysator benut water voor duurzame waterstofproductie zonder zeldzame metalen

AmsterdamWetenschappers hebben een nieuwe katalysator ontwikkeld voor de productie van groene waterstof. Traditionele methoden gebruiken methaan, een fossiele brandstof, en dit stoot veel kooldioxide uit, wat schadelijk is voor het milieu. Een betere methode is water elektrolyse, vooral als dit met hernieuwbare energie gebeurt. Dit vereist echter effectieve katalysatoren om water in waterstof en zuurstof te splitsen. Normaal gesproken zijn hiervoor zeldzame elementen zoals platina en iridium nodig.

De proton-uitwisselingsmembraan (PEM) technologie biedt veelbelovende mogelijkheden voor waterstofproductie via elektrolyse vanwege de hoge snelheid en energie-efficiëntie. De huidige PEM-systemen maken echter gebruik van iridium voor hun anode-katalysatoren, een zeldzaam en duur materiaal dat grootschalige productie van groene waterstof bemoeilijkt. Onlangs hebben wetenschappers vooruitgang geboekt door alternatieven voor iridium te vinden. Zij hebben een nieuwe katalysator ontwikkeld die gebruik maakt van de eigenschappen van water om stabiliteit en effectiviteit bij de productie van groene waterstof te waarborgen. Deze katalysator is niet afhankelijk van iridium.

Het onderzoeksteam bestaat uit leden van ICFO, waaronder Ranit Ram, Dr. Lu Xia, Dr. Anku Guha, Dr. Viktoria Golovanova, Dr. Marinos Dimitropoulos, Aparna M. Das en Adrián Pinilla-Sánchez, onder leiding van Prof. F. Pelayo García de Arquer. Andere teamleden zijn afkomstig van het Institut Català d'Investigació Química (ICIQ), het Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), het Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankrijk, de Diamond Light Source en het Institute of Advanced Materials (INAM).

Niet-iridium katalysatoren hebben een groot probleem: ze degraderen in zeer zure omgevingen. Iridiumoxiden daarentegen zijn stabiel en functioneren goed, waardoor ze veel worden gebruikt. Er zijn pogingen gedaan om andere materialen zoals mangaan- en kobaltoxiden te gebruiken, maar deze blijven meestal niet intact bij de hoge stroomsterktes die nodig zijn voor industrieel gebruik.

De nieuwe methode maakt gebruik van kobalt-wolfraamoxide (CoWO4 of CWO) en omvat een delaminatieproces. Tijdens dit proces worden wolfraamoxiden (WO4 2-) vervangen door water (H2O) en hydroxylgroepen (OH-). Deze basische omgeving bevordert de integratie van water in de katalysatorstructuur.

Lees ook:

Vandaag · 19:21

Visietool verbetert planning toekomst Colorado River

De onderzoekers maakten gebruik van verschillende technieken, zoals infrarood-, Raman- en röntgenspectroscopie, om het nieuwe materiaal tijdens gebruik te onderzoeken. Ze ontdekten dat ingesloten water en hydroxylgroepen cruciaal waren voor de activiteit en stabiliteit van het materiaal. Het model van Dr. Hind Benzidi liet zien dat het ingesloten water de katalysator stabiel hielp houden in zure omstandigheden.

De behandelde CoWO4-katalysator werd getest in een PEM-reactor. Hij leverde een stroomdichtheid van 1 A/cm² en bleef gedurende meer dan 600 uur stabiel, zelfs bij hoge stroomdichtheid.

De nieuwe katalysator presteert aanzienlijk beter dan oudere versies zonder iridium. Het team vermoedt dat het toevoegen van water en hydroxylgroepen ook andere materialen kan verbeteren. Op dit moment onderzoeken ze het gebruik van mangaan en nikkel als alternatieven.

Het team heeft al een octrooi aangevraagd voor hun nieuwe katalysator en is van plan om het op grotere schaal te produceren. Prof. García de Arquer gaf aan dat ze bereid zijn alle elementen te testen indien nodig. Ranit Ram voegde eraan toe dat vooruitgang in duurzame energie helpt bij het bestrijden van klimaatverandering. Deze nieuwe ontwikkeling brengt ons dichter bij duurzame waterstofproductie zonder dat zeldzame materialen zoals iridium nodig zijn.