211service.com
Een goedkopere waterstofkatalysator
Platina speelt normaal gesproken een cruciale rol in brandstofcellen en bij de productie van waterstof. Nu heeft een groep onderzoekers laten zien hoe je dezelfde soort reactiviteit kunt krijgen met een metaal – nikkel – dat duizend keer goedkoper is dan platina. De groep– onderzoeker Vincent Artero , en Alan Le Goff en Serge Palacin bij de Centrale commissie voor kernenergie in de buurt van Parijs gebruikte op nikkel gebaseerde verbindingen die chemisch gebonden zijn aan koolstofnanobuisjes.
Brandstofcelkatalysator: Een nieuw katalytisch materiaal gemaakt van nikkel (hier afgebeeld bevestigd aan een experimentele koolstofnanobuiselektrode) zou de kosten van brandstofcellen en waterstofproductie kunnen verlagen.
Platina wordt meestal gebruikt in het watersplitsingsproces omdat het zo'n effectieve katalysator is. Het probleem met platina is dat het een erg duur metaal is en dat er op aarde niet genoeg van is om een wereldwijde waterstofeconomie in stand te houden, zegt Artero.
Elektroden gemaakt met de nieuwe katalysator zouden ongeveer 20 procent goedkoper zijn dan die van platina, zegt Artero. Aangezien platina ongeveer een derde van de kosten van brandstofcellen uitmaakt, zou dit een aanzienlijke impact kunnen hebben op de prijs van brandstofceltechnologie.
De nieuwe verbindingen zijn gebaseerd op een type enzym dat hydrogenase wordt genoemd. Deze enzymen worden normaal gesproken aangetroffen in bacteriën en algen die onder anaërobe (of zuurstofvrije) omstandigheden leven en worden door deze organismen gebruikt als katalysator om waterstof te metaboliseren, zegt Artero. Ze gebruiken precies hetzelfde proces als brandstofcellen om in leven te blijven, zegt hij.
De afgelopen jaren hebben onderzoekers grote belangstelling getoond voor het gebruik van moleculaire chemie om de structuur van deze natuurlijke katalysatoren na te bootsen. Omdat de actieve componenten van deze moleculaire verbindingen even reactief zijn als platina, maar in plaats daarvan uit nikkel of ijzer bestaan, beloven ze veel goedkoper in gebruik te zijn.
Tot nu toe waren echter synthetische waterstofmoleculen, zoals die ontwikkeld door Daniel DuBois bij Pacific Northern National Laboratories in Richland, WA - zijn alleen in oplossingsvorm aangetoond. Om praktisch bruikbaar te zijn, moeten de moleculen aan een elektrode worden gebonden in plaats van in een vloeistof te drijven.
Door de op nikkel gebaseerde actieve componenten van deze verbindingen te modificeren, vonden Artero en collega's een manier om de moleculen aan koolstofnanobuisjes te hechten. De nanobuisjes hebben twee voordelen: het zijn zeer goede elektronengeleiders en ze hebben een zeer hoog specifiek oppervlak, zegt Artero. Dit betekent dat het mogelijk is om een groot deel van het katalytische materiaal op het oppervlak te laden, zegt hij.
In tests gerapporteerd in de uitgave van het tijdschrift van deze week Wetenschap , toonde de groep aan dat deze gemodificeerde katalysator effectief en stabiel was voor het herhaaldelijk uitvoeren van de reactie.
Dit werk betekent een belangrijke vooruitgang in de toepassing van moleculaire elektrokatalysatoren voor de productie en oxidatie van waterstof, zegt DuBois. Het laat zien, zegt hij, dat deze zeer reactieve moleculaire katalysatoren efficiënt kunnen werken onder omstandigheden die praktisch kunnen zijn voor elektrolyzers en brandstofcellen. Dit is een belangrijke stap in de richting van het verplaatsen van bio-geïnspireerde katalysatoren van conceptie naar praktijk.
Nate Lewis , een professor in de chemie aan Caltech, is het daarmee eens. Dit is een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van een volledig systeem dat water van zonlicht splitst, zegt hij. Maar Lewis merkt op dat het vinden van een manier om de katalysatoren aan een oppervlak te bevestigen, zodat ze in een elektrode kunnen worden gebruikt, slechts een stukje van de puzzel is.
John Turner , een research fellow in energiewetenschappen aan het National Renewable Energy Laboratory in Golden, CO voegt eraan toe dat de belangrijkste barrière voor waterstofproductie uit water en brandstofcellen voor transport niet waterstofkatalyse is, maar zuurstofkatalyse.
Op nikkel gebaseerde katalysatoren worden al gebruikt in grote multi-megawatt commerciële elektrolyzers, maar deze katalysatoren zijn veel minder efficiënt dan platina-katalysatoren en hebben de neiging erg groot te zijn, meestal rond de 10 vierkante meter.
Turner merkt op dat de stroom die door de katalysator van Artero wordt geproduceerd nog steeds een orde van grootte kleiner is dan met platina kan worden bereikt. Artero zegt dat dit vrij eenvoudig kan worden verholpen. Hij merkt op dat de nanobuisjes die in de experimenten van zijn team werden gebruikt, slechts een lage belasting van het katalytische materiaal ontvingen. Het verhogen hiervan zou de stroom moeten stimuleren: het is een leemte die we kunnen opvullen, zegt hij.