Nieuw nanomateriaal helpt bij het verkrijgen van waterstof uit een vloeibare energiedrager, in een belangrijke stap naar een stabiele en schone brandstofbron

Waterstof is een duurzame bron van schone energie die giftige emissies vermijdt en waarde kan toevoegen aan meerdere sectoren in de economie, waaronder transport, energieopwekking en metaalproductie. Technologieën voor de opslag en het transport van waterstof overbruggen de kloof tussen duurzame energieproductie en brandstofgebruik en vormen daarom een ​​essentieel onderdeel van een levensvatbare waterstofeconomie. Maar traditionele opslag- en transportmiddelen zijn duur en vatbaar voor vervuiling. Daarom zoeken onderzoekers naar alternatieve technieken die betrouwbaar, goedkoop en eenvoudig zijn. Efficiëntere waterstofafgiftesystemen zouden veel toepassingen ten goede komen, zoals stationaire stroomvoorziening, draagbare stroomvoorziening en mobiele voertuigindustrieën.

Nu, zoals gerapporteerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Scienceshebben onderzoekers een effectief materiaal ontworpen en gesynthetiseerd om een ​​van de beperkende stappen bij het extraheren van waterstof uit alcoholen te versnellen. Het materiaal, een katalysator, is gemaakt van minuscule clusters van nikkelmetaal die zijn verankerd op een 2-D-substraat. Het team onder leiding van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory’s (Berkeley Lab) Molecular Foundry ontdekte dat de katalysator de reactie die waterstofatomen verwijdert uit een vloeibare chemische drager, schoon en efficiënt kan versnellen. Het materiaal is robuust en gemaakt van metalen die rijk zijn aan de aarde in plaats van bestaande opties gemaakt van edele metalen, en zal helpen om waterstof een levensvatbare energiebron te maken voor een breed scala aan toepassingen.

“We presenteren hier niet alleen een katalysator met een hogere activiteit dan andere nikkelkatalysatoren die we hebben getest, voor een belangrijke brandstof voor hernieuwbare energie, maar ook een bredere strategie voor het gebruik van betaalbare metalen in een breed scala aan reacties”, aldus Jeff Urban, the Inorganic Nanostructures Facilitair directeur bij de Molecular Foundry die het werk leidde. Het onderzoek maakt deel uit van het Hydrogen Materials Advanced Research Consortium (HyMARC), een consortium dat wordt gefinancierd door het Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office (EERE) van het Amerikaanse Department of Energy. Door deze inspanning werken vijf nationale laboratoria aan het doel om de wetenschappelijke hiaten aan te pakken die de vooruitgang van vaste waterstofopslagmaterialen blokkeren. De resultaten van dit werk zullen rechtstreeks worden meegenomen in de H2 @ Scale-visie van EERE voor betaalbare waterstofproductie, -opslag, -distributie en -gebruik in meerdere sectoren in de economie.

Chemische verbindingen die als katalysator werken, zoals die ontwikkeld door Urban en zijn team, worden gewoonlijk gebruikt om de snelheid van een chemische reactie te verhogen zonder dat de verbinding zelf wordt verbruikt – ze kunnen een bepaald molecuul op een stabiele positie houden of dienen als tussenpersoon die zorgt ervoor dat een belangrijke stap betrouwbaar kan worden voltooid. Voor de chemische reactie waarbij waterstof wordt geproduceerd uit vloeibare dragers, worden de meest effectieve katalysatoren gemaakt van edelmetalen. Deze katalysatoren gaan echter gepaard met hoge kosten en een geringe hoeveelheid, en zijn vatbaar voor vervuiling. Andere goedkopere katalysatoren, gemaakt van meer gewone metalen, zijn meestal minder effectief en minder stabiel, wat hun activiteit en hun praktische toepassing in waterstofproductie-industrieën beperkt.

Om de prestaties en stabiliteit van deze op aarde aanwezige katalysatoren op metaalbasis te verbeteren, hebben Urban en zijn collega’s een strategie aangepast die zich richt op kleine, uniforme clusters van nikkelmetaal. Kleine clusters zijn belangrijk omdat ze de blootstelling van reactief oppervlak in een bepaalde hoeveelheid materiaal maximaliseren. Maar ze hebben ook de neiging om samen te klonteren, wat hun reactiviteit remt.

Postdoctoraal onderzoeksassistent Zhuolei Zhang en projectwetenschapper Ji Su, zowel bij de Molecular Foundry als co-hoofdauteurs van het papier, ontwierpen en voerden een experiment uit dat klonteren tegenging door nikkelklusters met een diameter van 1,5 nanometer af te zetten op een 2-D substraat gemaakt van boor en stikstof ontworpen om een ​​raster van kuiltjes op atomaire schaal te hosten. De nikkelclusters werden gelijkmatig verspreid en stevig verankerd in de kuiltjes. Dit ontwerp voorkwam niet alleen klontering, maar de thermische en chemische eigenschappen verbeterden de algehele prestaties van de katalysator aanzienlijk door directe interactie met de nikkelclusters.

“De rol van het onderliggende oppervlak tijdens de clustervorming en afzettingsfase is cruciaal gebleken, en kan aanwijzingen geven om hun rol in andere processen te begrijpen”, aldus Urban.

Gedetailleerde röntgen- en spectroscopiemetingen, gecombineerd met theoretische berekeningen, onthulden veel over de onderliggende oppervlakken en hun rol in de katalyse. Met behulp van tools bij de Advanced Light Source, een DOE-gebruikersfaciliteit bij Berkeley Lab, en computationele modelleringsmethoden, identificeerden de onderzoekers veranderingen in de fysische en chemische eigenschappen van de 2D-vellen terwijl kleine nikkelclusters zich vormden en erop afzetten. Het team stelde voor dat het materiaal zich vormt terwijl metalen clusters ongerepte delen van de platen bezetten en interageren met nabijgelegen randen, waardoor de kleine afmetingen van de clusters behouden blijven. De kleine, stabiele clusters vergemakkelijkten de actie in de processen waardoor waterstof wordt gescheiden van zijn vloeibare drager, waardoor de katalysator uitstekende selectiviteit, productiviteit en stabiele prestaties heeft.

Uit berekeningen bleek dat de grootte van de katalysator de reden was dat zijn activiteit een van de beste was in vergelijking met andere die onlangs zijn gerapporteerd. David Prendergast, directeur van de Theory of Nanostructured Materials Facility bij de Molecular Foundry, gebruikte samen met postdoctoraal onderzoeksassistent en co-hoofdauteur Ana Sanz-Matias modellen en computationele methoden om de unieke geometrische en elektronische structuur van de kleine metaalclusters bloot te leggen. Kale metaalatomen, overvloedig aanwezig op deze kleine clusters, trokken de vloeibare drager gemakkelijker aan dan grotere metaaldeeltjes. Deze blootgestelde atomen vergemakkelijkten ook de stappen van de chemische reactie die waterstof van de drager verwijdert, terwijl de vorming van verontreinigingen die het oppervlak van het cluster kunnen verstoppen, wordt voorkomen. Daarom bleef het materiaal vrij van vervuiling tijdens belangrijke stappen in de waterstofproductiereactie. Deze katalytische en anti-contaminatie-eigenschappen kwamen voort uit de imperfecties die opzettelijk in de 2-D-vellen waren aangebracht en hielpen uiteindelijk om de clustergrootte klein te houden.

“Vervuiling kan mogelijke niet-edelmetaalkatalysatoren niet levensvatbaar maken. Ons platform hier opent een nieuwe deur voor de engineering van die systemen”, aldus Urban.

In hun katalysator bereikten de onderzoekers het doel om een ​​relatief goedkoop, direct verkrijgbaar en stabiel materiaal te creëren dat helpt om waterstof uit vloeibare dragers te strippen voor gebruik als brandstof. Dit werk kwam voort uit een DOE-inspanning om materialen voor waterstofopslag te ontwikkelen om te voldoen aan de doelstellingen van EERE’s Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office en om de materialen te optimaliseren voor toekomstig gebruik in voertuigen.

Toekomstig werk van het Berkeley Lab-team zal de strategie van het aanpassen van 2D-substraten verder aanscherpen op manieren die kleine metaalclusters ondersteunen, om nog efficiëntere katalysatoren te ontwikkelen. De techniek kan helpen om het proces van waterstofwinning uit vloeibare chemische dragers te optimaliseren.