Onderzoekers van imec en KU Leuven ontwikkelden een superporeus en compact nanomateriaal dat efficiënte elektrochemische reacties mogelijk maakt. Een belangrijke stap in de richting van een kostenefficiënte productie van waterstof door elektrolyse.
De grootschalige productie van groene waterstof en andere groene moleculen wordt essentieel om de klimaatdoelstellingen te halen. Bij de decarbonisatie van de staal- en cementindustrie, de koolstofvrije productie van kunstmest en in sectoren die moeilijk te elektrificeren zijn, zoals langeafstandstransport, zal groene waterstof naar verwachting een cruciale rol spelen.
Uitzonderlijk reactief
Groene waterstof wordt geproduceerd door elektrolyse van water. De cruciale reactie in een elektrolyser speelt zich af aan het oppervlak van de elektrodes. Hoe poreuzer het elektrodemateriaal, hoe efficiënter het waterstofgas uit de reactie-oppervlakken kan weggevoerd worden.
Imec en KU Leuven, partners binnen EnergyVille, ontwikkelden een nieuw materiaal dat niet alleen uiterst poreus is, maar ook een uitzonderlijk groot reactief oppervlak in een klein volume samenperst (26 m²/cm³). Het materiaal is opgebouwd uit draden van 40 nanometer dun (een duizendste van een haar) en ziet er onder de elektronenmicroscoop uit als driedimensionaal kippengaas.
Volledig open drager
Tot voor kort moest het nanomateriaal nog ondersteund worden door een niet-poreuze drager. Die zorgde voor de nodige robuustheid, maar belemmerde de instroom van reagentia en de uitstroom van waterstofgas, waardoor het potentieel van het nanomateriaal onderbenut werd.
Nu slaagden de onderzoekers erin om deze drager volledig open te maken met een poreuze structuur die van alle kanten toegankelijk is. Op basis daarvan ontwikkelden ze een nikkel-elektrode, waarmee ze experimenteel aantoonden dat de bijna volledige theoretische oppervlakte ook effectief benut wordt tijdens de elektrochemische reacties.
Hoger rendement
Hoe meer stroom je door een elektrolysecel stuurt, hoe meer waterstof er gevormd wordt, maar ook hoe hoger de verliezen in energie-efficiëntie. Het nanomateriaal komt aan dat probleem tegemoet: in vergelijking met conventionele nikkel-elektrodes kunnen ze tientallen keer hogere stroomdichtheden verwerken voor dezelfde energie-efficiëntie. Daardoor levert het nanomateriaal een hoger rendement op dan gangbare poreuze alternatieven.
Bart Onsia, business development manager bij imec/EnergyVille: “Om op gigawatt-schaal groene waterstof te kunnen produceren op offshore windparken, waar elke vierkante meter van tel is, heb je compacte elektrolysers nodig met een hoog rendement. Deze nieuwe elektrode vormt een veelbelovende component in de ontwikkeling van dergelijke elektrolysers. De ontwikkeling van die elektrolysecomponenten zetten we verder binnen het bedrijf Hyve, in samenwerking met VITO, DEME, John Cockerill, Colruyt en Bekaert.”
Alle metalen in nano
“De technologie is niet afhankelijk van zeldzame grondstoffen en vertrouwt op algemeen beschikbare productietechnologieën die gemakkelijk op te schalen zijn”, aldus Philippe Vereecken, imec fellow en deeltijds hoogleraar aan KU Leuven.
Bovendien wordt er onderzocht hoe deze materialen kunnen dienen voor CO2-reductie. Nina Planckensteiner, Marie-Curie postdoc aan imec: “Dat is meteen het mooie van deze nanostructuren: je kan ze in zowat alle metalen aanmaken waardoor een scala aan duurzame toepassingen mogelijk is: nikkel in elektrolysereacties, zilver en koper voor CO2-reductie, platina voor katalysatoren, enzovoort.”
De onderzoeksresultaten werden gepubliceerd in Materials Today Energy.
