Nanokatalysatoren ontwikkelen om de beperkingen van de waterelektrolysetechnologie te overwinnen

Groene waterstof kan worden geproduceerd via waterelektrolysetechnologie, waarbij hernieuwbare energie wordt gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof zonder kooldioxide uit te stoten. De productiekosten van groene waterstof liggen momenteel echter rond de $ 5 per kilogram, wat twee tot drie keer hoger is dan de grijze waterstof die uit aardgas wordt gewonnen.

Voor het praktische gebruik van groene waterstof is innovatie op het gebied van waterelektrolysetechnologie vereist voor de realisatie van de waterstofeconomie, vooral voor Korea, waar het gebruik van hernieuwbare energie om geografische redenen beperkt is.

Het onderzoeksteam van Dr. Kyung Joong Yoon bij het Energy Materials Research Center van het Korea Institute of Science and Technology (KIST) heeft een nanokatalysator ontwikkeld voor waterelektrolyse op hoge temperatuur die een hoge stroomdichtheid van meer dan 1A/cm kan behouden.² gedurende lange tijd bij temperaturen boven 600°. Het werk is gepubliceerd in de Tijdschrift voor chemische technologie.

Hoewel de afbraakmechanismen van nanomaterialen bij hoge temperaturen tot nu toe ongrijpbaar zijn geweest, heeft het team de fundamentele redenen van abnormaal gedrag van nanomaterialen geïdentificeerd en met succes problemen opgelost, waardoor uiteindelijk de prestaties en stabiliteit in realistische waterelektrolysecellen zijn verbeterd.

De elektrolysetechnologie kan worden ingedeeld in elektrolyse bij lage en hoge temperatuur. Terwijl elektrolyse bij lage temperaturen, werkend bij temperaturen onder de 100° Celsius, al lang ontwikkeld is en technologisch volwassener is, biedt elektrolyse bij hoge temperaturen, werkend boven 600° Celsius, een hogere efficiëntie en wordt beschouwd als een technologie van de volgende generatie met een groot potentieel voor verdere kosten. -omlaag.

De commercialisering ervan wordt echter belemmerd door het gebrek aan thermische stabiliteit en een onvoldoende levensduur als gevolg van degradatie bij hoge temperaturen, zoals corrosie en structurele vervorming. Met name nanokatalysatoren, die op grote schaal worden gebruikt om de prestaties van waterelektrolysatoren op lage temperatuur te verbeteren, gaan snel achteruit bij hoge bedrijfstemperaturen, waardoor het moeilijk wordt om ze effectief te gebruiken voor waterelektrolyse op hoge temperatuur.

Om deze beperking te overwinnen, heeft het team een ​​nieuwe synthetische techniek voor nanokatalysatoren ontwikkeld die de vorming van schadelijke verbindingen onderdrukt die degradatie bij hoge temperaturen veroorzaken.

Door de verschijnselen op nanoschaal systematisch te analyseren met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie, identificeerden de onderzoekers specifieke stoffen die ernstige structurele veranderingen veroorzaakten, zoals strontiumcarbonaat en kobaltoxide, en verwijderden ze deze met succes om zeer stabiele nanokatalysatoren te bereiken, in termen van chemische en fysische eigenschappen.

Toen het team de nanokatalysator toepaste op een waterelektrolysecel op hoge temperatuur, werd de waterstofproductie ruimschoots verdubbeld en werkte hij meer dan 400 uur bij 650°C zonder degradatie. Deze techniek werd ook met succes toegepast op een praktische waterelektrolysecel met een groot oppervlak, wat het sterke potentieel voor opschaling en commercieel gebruik bevestigt.

“Onze nieuw ontwikkelde nanomaterialen hebben zowel hoge prestaties als stabiliteit bereikt voor de technologie voor waterelektrolyse op hoge temperatuur, en kunnen bijdragen aan het verlagen van de productiekosten van groene waterstof, waardoor het in de toekomst economisch concurrerend wordt met grijze waterstof”, aldus dr. Kyungjoong Yoon. van KIST.

“Voor commercialisering zijn we van plan geautomatiseerde verwerkingstechnieken voor massaproductie te ontwikkelen in samenwerking met industriële celfabrikanten.”