Lagring af energi i brint 20 gange mere effektiv ved hjælp af platinum-nikkel katalysator

Katalysatorer fremskynder kemiske reaktioner, men den meget udbredte metalplatine er knap og dyr. Forskere ved Eindhoven University of Technology (TU/e), sammen med kinesere, Singapanske og japanske forskere, har nu udviklet et alternativ med en 20 gange højere aktivitet:en katalysator med hule nanokager af en legering af nikkel og platin. TU/e-forsker Emiel Hensen ønsker at bruge denne nye katalysator til at udvikle en elektrolysator i køleskabsstørrelse på omkring 10 megawatt i fremtiden. Resultaterne vil blive offentliggjort den 15. november i tidsskriftet Videnskab .

I 2050, den nationale regering har til formål at få næsten alle Hollands energibehov fra bæredygtige kilder, såsom solen eller vinden. Fordi disse energikilder ikke altid er tilgængelige, det er vigtigt at kunne lagre den genererede energi. I betragtning af deres lave energitæthed, batterier er ikke egnede til opbevaring af meget store mængder energi. En bedre løsning er kemiske bindinger, med brint som det mest oplagte valg af gas. Brug af vand, en elektrolysator omdanner (et overskud af) elektrisk energi til brint, som kan gemmes. På et senere tidspunkt, en brændselscelle gør det modsatte, konvertere det lagrede brint tilbage til elektrisk energi. Begge teknologier kræver en katalysator for at drive processen.

Katalysatoren, der hjælper med disse omdannelser, er - på grund af dens høje aktivitet - for det meste lavet af platin. Men platin er meget dyrt og relativt sparsomt; et problem, hvis vi vil bruge elektrolysatorer og brændselsceller i stor skala. TU/e katalyseprofessor, Emiel Hensen siger, "Forskere fra Kina udviklede derfor en legering af platin og nikkel, hvilket reducerer omkostninger og øger aktiviteten. "

En effektiv katalysator har en høj aktivitet; det omdanner flere vandmolekyler til brint hvert sekund. Hensen siger, "På TU/e, vi undersøgte nikkels indflydelse på nøglereaktionstrinnene, og til dette formål udviklede vi en computermodel baseret på billeder fra et elektronmikroskop. Med kvantekemiske beregninger var vi i stand til at forudsige aktiviteten af ​​den nye legering, og vi kunne forstå, hvorfor denne nye katalysator er så effektiv. "

Testet med succes i en brændselscelle

Ud over det andet valg af metal, forskerne var også i stand til at foretage betydelige ændringer i morfologien. Atomer i katalysatoren skal binde sig til vand- og/eller iltmolekylerne for at kunne omdanne dem. Flere bindingssteder vil derfor føre til en højere aktivitet. Hensen siger, "Du vil gøre så meget metaloverflade tilgængelig som muligt. De udviklede hule nanokager kan tilgås udefra såvel som indefra. Dette skaber et stort overfladeareal, tillader mere materiale at reagere på samme tid. "Desuden Hensen har med kvantekemiske beregninger demonstreret, at nanokagernes specifikke overfladestrukturer øger aktiviteten yderligere.

Efter beregninger i Hensens model, det viser sig, at aktiviteten af ​​begge opløsninger kombineret er 20 gange højere end aktiviteten af ​​de nuværende platinkatalysatorer. Forskerne har også fundet dette resultat i eksperimentelle test i en brændselscelle. "En vigtig kritik af meget grundlæggende arbejde er, at det gør sit i laboratoriet, men når nogen sætter det i en rigtig enhed, det virker ofte ikke. Vi har vist, at disse nye katalysatorer fungerer i en rigtig applikation. "

Katalysatorens stabilitet skal være sådan, at den kan fortsætte med at arbejde i en brintbil eller hus i mange år fremover. Forskerne testede derfor katalysatoren for 50, 000 'omgange' i brændselscellen, og oplevede et ubetydeligt fald i aktivitet.

Elektrolysator i hvert distrikt

Mulighederne for denne nye katalysator er mangfoldige. Både i form af brændselscellen og omvendt reaktion i en elektrolysator. For eksempel, brændselsceller bruges i brintdrevne biler, mens nogle hospitaler allerede har nødgeneratorer med brintdrevne brændselsceller. En elektrolysator kan bruges, for eksempel, på vindmølleparker til søs eller måske endda ved siden af ​​hver enkelt vindmølle. Transport af brint er meget billigere end transport af elektricitet.

Hansens drøm går længere. Han siger, "Jeg håber, at vi snart kan installere en elektrolysator i hvert kvarter. Denne enhed i køleskab lagrer al energien fra solpanelerne på tagene i nabolaget i dagtimerne som brint. De underjordiske gasledninger transporterer brint i fremtid, og den centrale centralvarmekedel erstattes af en brændselscelle, sidstnævnte konverterer det lagrede brint tilbage til elektricitet. Sådan kan vi få mest muligt ud af solen. "

Men for at dette kan ske, elektrolysatoren skal stadig undergå en betydelig udvikling. Sammen med andre TU/e ​​-forskere og industrielle partnere fra Brabant -regionen, Hensen er derfor involveret i opstarten af ​​energiinstituttet i TU Eindhoven. Målet er at skalere de nuværende kommercielle elektrolysatorer til en elektrolysator i køleskabsstørrelse på omkring 10 megawatt.