Undersøgelse viser, at en meget billigere katalysator kan generere brint i en kommerciel enhed

Forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University har for første gang vist, at en billig katalysator kan splitte vand og generere hydrogengas i timevis i det barske miljø i en kommerciel enhed.

Elektrolysatorteknologien, som er baseret på en polymerelektrolytmembran (PEM), har potentiale for storskalig brintproduktion drevet af vedvarende energi, men det er delvis blevet holdt tilbage af de høje omkostninger ved ædle metalkatalysatorer, som platin og iridium, nødvendig for at øge effektiviteten af ​​de kemiske reaktioner.

Denne undersøgelse peger vejen mod en billigere løsning, forskerne rapporterede i dag i Naturnanoteknologi .

"Hydrogengas er et massivt vigtigt industrikemikalie til fremstilling af brændstof og gødning, blandt andet, "sagde Thomas Jaramillo, direktør for SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, der ledede forskergruppen. "Det er også rent, molekyle med højt energiindhold, der kan bruges i brændselsceller eller til at lagre energi genereret af variable strømkilder som sol og vind. Men det meste af det brint, der produceres i dag, er fremstillet med fossile brændstoffer, øger niveauet af CO2 i atmosfæren. Vi har brug for en omkostningseffektiv måde at producere den med ren energi på. "

Fra dyrt metal til billigt, rigelige materialer

Der har været omfattende arbejde i årenes løb for at udvikle alternativer til ædle metalkatalysatorer til PEM -systemer. Mange har vist sig at arbejde i et laboratorium, men Jaramillo sagde, at så vidt han ved, er dette det første, der demonstrerer høj ydeevne i en kommerciel elektrolysator. Enheden blev fremstillet af et PEM elektrolyseforskningssted og fabrik i Connecticut for Nel Hydrogen, verdens ældste og største producent af elektrolysatorudstyr.

Elektrolyse fungerer meget som et batteri omvendt:I stedet for at generere elektricitet, den bruger elektrisk strøm til at opdele vand i brint og ilt. De reaktioner, der genererer hydrogen og iltgas, finder sted på forskellige elektroder ved hjælp af forskellige ædle metalkatalysatorer. I dette tilfælde, Nel Hydrogen-teamet erstattede platinkatalysatoren på den hydrogengenererende side med en katalysator bestående af koboltphosphid-nanopartikler afsat på kulstof for at danne et fint sort pulver, som blev produceret af forskerne ved SLAC og Stanford. Ligesom andre katalysatorer, det samler andre kemikalier og tilskynder dem til at reagere.

Koboltphosphidkatalysatoren fungerede ekstremt godt i hele testens varighed, mere end 1, 700 timer - en indikation på, at det kan være hårdt nok til daglig brug i reaktioner, der kan finde sted ved forhøjede temperaturer, tryk og strømtætheder og under ekstremt sure forhold over længere tid, sagde McKenzie Hubert, en kandidatstuderende i Jaramillos gruppe, der ledede eksperimenterne med Laurie King, en SUNCAT forskningsingeniør, der siden har tilsluttet sig fakultetet ved Manchester Metropolitan University.

"Vores gruppe har studeret denne katalysator og beslægtede materialer i et stykke tid, "Hubert sagde, "og vi tog det fra en grundlæggende lab-skala, eksperimentel fase ved at teste den under industrielle driftsbetingelser, hvor du skal dække et meget større overfladeareal med katalysatoren, og den skal fungere under meget mere udfordrende forhold. "

One of the most important elements of the study was scaling up the production of the cobalt phosphide catalyst while keeping it very uniform—a process that involved synthesizing the starting material at the lab bench, grinding with a mortar and pestle, baking in a furnace and finally turning the fine black powder into an ink that could be sprayed onto sheets of porous carbon paper. The resulting large-format electrodes were loaded into the electrolyzer for the hydrogen production tests.

Producing hydrogen gas at scale

While the electrolyzer development was funded by the Defense Department, which is interested in the oxygen-generating side of electrolysis for use in submarines, Jaramillo said the work also aligns with the goals of DOE's H2@Scale initiative, which brings DOE labs and industry together to advance the affordable production, transportere, storage and use of hydrogen for a number of applications, and the fundamental catalyst research was funded by the DOE Office of Science.

Katherine Ayers, vice president for research and development at Nel and a co-author of the paper, sagde, "Working with Tom gave us an opportunity to see whether these catalysts could be stable for a long time and gave us a chance to see how their performance compared to that of platinum.

"The performance of the cobalt phosphide catalyst needs to get a little bit better, and its synthesis would need to be scaled up, " she said. "But I was quite surprised at how stable these materials were. Even though their efficiency in generating hydrogen was lower than platinum's, it was constant. A lot of things would degrade in that environment."

While the platinum catalyst represents only about 8 percent of the total cost of manufacturing hydrogen with PEM, the fact that the market for the precious metal is so volatile, with prices swinging up and down, could hold back development of the technology, Ayers said. Reducing and stabilizing that cost will become increasingly important as other aspects of PEM electrolysis are improved to meet the increasing demand for hydrogen in fuel cells and other applications.