Nieuwe strategieën verbeteren de stabiliteit van metalen nanodeeltjes bij de productie van groene waterstof

Efficiënte en duurzame, goedkope katalysatoren zijn essentieel voor de productie van groene waterstof en de daarmee samenhangende productie van chemische brandstoffen, beide cruciale technologieën voor de transitie naar hernieuwbare energie. Onderzoek op dit gebied richt zich steeds meer op metaalexsolutiereacties om katalysatoren met verbeterde eigenschappen te vervaardigen.

Een nieuwe studie onder leiding van Forschungszentrum Jülich, in samenwerking met internationale instellingen, heeft onthuld hoe zuurstofvacatures in oxidematerialen de stabiliteit van metalen nanodeeltjes op het oppervlak van dergelijke materialen beïnvloeden, die cruciaal zijn voor de prestaties van de katalysator. De bevindingen, gepubliceerd in Natuurcommunicatiepraktische strategieën onthullen om de duurzaamheid van katalysatoren te verbeteren en de productie van groene waterstof competitiever te maken.

De studie concentreerde zich op het proces van metaalexsolutie, een relatief nieuwe procedure waarbij metalen doteermiddelen die aanvankelijk deel uitmaken van het oxiderooster in oxidematerialen tijdens thermische reductie vrijkomen om nanodeeltjes op het oxideoppervlak te vormen. Deze nanodeeltjes creëren, in combinatie met het oxidesubstraat, zeer actieve grensvlakken die cruciaal zijn voor het katalyseren van elektrochemische reacties, zoals de splitsing van water voor de productie van groene waterstof.

De onderzoekers tonen aan dat zuurstofvacatures – defecten in het oxidekristalrooster waar zuurstofatomen ontbreken – een cruciale rol spelen in de stabiliteit van nanodeeltjes. Oxiden met hoge concentraties zuurstofvacatures die bijvoorbeeld worden gebruikt in brandstofcellen en elektrolyzercellen, vertonen een verhoogde oppervlaktemobiliteit van nanodeeltjes bij verhoogde temperaturen, wat typisch is voor gebruik, waardoor ze samenvloeien tot grotere deeltjes.

Deze coalescentie vermindert de dichtheid van actieve plaatsen, waardoor de efficiëntie van de katalysator afneemt. Omgekeerd stabiliseren oxiden met lagere concentraties zuurstofvacatures de nanodeeltjes, waardoor coalescentie wordt voorkomen en de katalytische activiteit in de loop van de tijd behouden blijft.

Het team identificeerde ook een eenvoudige maar effectieve methode om deze effecten te verzachten. Het introduceren van waterdamp in de reactieomgeving verhoogt de partiële zuurstofdruk enigszins, waardoor het aantal zuurstofvacatures op het grensvlak tussen het oxide en de nanodeeltjes afneemt.

Deze aanpassing verbetert de stabiliteit van nanodeeltjes en verlengt de duurzaamheid van de katalysator. Bovendien biedt het wijzigen van de samenstelling van het oxidemateriaal om inherent de zuurstofvacatureconcentratie te verlagen een andere haalbare benadering voor het bereiken van stabiliteit op lange termijn.

Maatschappelijke en wetenschappelijke relevantie

Deze bevindingen hebben aanzienlijke implicaties voor de ontwikkeling van duurzame energiesystemen. Exsolution-katalysatoren worden besproken als veelbelovende kandidaten om conventionele materialen te vervangen, vooral in vaste-oxidecellen.

Vaste-oxidecellen zijn van cruciaal belang voor zowel de productie van groene waterstof, een essentiële energiedrager voor opslag en transport, als voor de omzetting ervan in elektriciteit met het hoogste efficiëntieniveau. De duurzaamheid van katalysatoren heeft een directe invloed op de economische en operationele haalbaarheid van deze apparaten.

Hoewel metaalexsolutiereacties een veelbelovende aanpak bieden voor het ontwikkelen van katalysatoren met verbeterde eigenschappen, blijft de beperkte duurzaamheid van deze katalysatoren – die onder bedrijfsomstandigheden vatbaar zijn voor structurele en chemische afbraak – een aanzienlijke belemmering voor hun praktische toepassing in groene energietechnologieën. Door het probleem van de coalescentie van nanodeeltjes aan te pakken, zou dit onderzoek kunnen leiden tot vooruitgang in de levensvatbaarheid van deze nieuwe katalysatoren.

De studie biedt bruikbare strategieën voor het verbeteren van de duurzaamheid van katalysatoren door aanpassingen in reactieomstandigheden en materiaalsamenstellingen en vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in de ontwikkeling van technologieën voor hernieuwbare energiebronnen.