Udvikling af nanokatalysatorer for at overvinde begrænsninger af vandelektrolyseteknologi

Grøn brint kan fremstilles gennem vandelektrolyseteknologi, som bruger vedvarende energi til at spalte vand i brint og ilt uden at udlede kuldioxid. Imidlertid er produktionsomkostningerne for grøn brint i øjeblikket omkring $5 pr. kilogram, hvilket er to til tre gange højere end grå brint opnået fra naturgas.

For den praktiske brug af grøn brint kræves innovation inden for vandelektrolyseteknologi for at realisere brintøkonomien, især for Korea, hvor udnyttelsen af ​​vedvarende energi er begrænset på grund af geografiske årsager.

Dr. Kyung Joong Yoons forskerhold ved Energy Materials Research Center i Korea Institute of Science and Technology (KIST) har udviklet en nanokatalysator til højtemperatur-vandelektrolyse, der kan bevare en høj strømtæthed på mere end 1A/cm ² i længere tid ved temperaturer over 600°. Værket er publiceret i Chemical Engineering Journal .

Mens nedbrydningsmekanismerne for nanomaterialer ved høje temperaturer hidtil har været uhåndgribelige, identificerede holdet de grundlæggende årsager til unormal adfærd hos nanomaterialer og løste problemer med succes, hvilket til sidst forbedrede ydeevne og stabilitet i realistiske vandelektrolyseceller.

Elektrolyseteknologien kan klassificeres i lav- og højtemperaturelektrolyse. Mens lavtemperaturelektrolyse, der arbejder ved temperaturer under 100° Celsius, længe er blevet udviklet og er teknologisk mere modent, tilbyder højtemperaturelektrolyse, der opererer over 600° Celsius, højere effektivitet og betragtes som en næste generations teknologi med et stort potentiale for yderligere omkostninger -ned.

Imidlertid er dets kommercialisering blevet hindret af manglen på termisk stabilitet og utilstrækkelig levetid på grund af højtemperaturnedbrydning, såsom korrosion og strukturel deformation. Især nanokatalysatorer, som er meget brugt til at forbedre ydeevnen af ​​lavtemperatur-vandelektrolysatorer, forringes hurtigt ved høje driftstemperaturer, hvilket gør det vanskeligt effektivt at bruge dem til højtemperatur-vandelektrolyse.

For at overvinde denne begrænsning udviklede holdet en ny syntetisk nanokatalysatorteknik, der undertrykker dannelsen af ​​skadelige forbindelser, der forårsager nedbrydning ved høj temperatur.

Ved systematisk at analysere fænomenerne i nanoskala ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi identificerede forskerne specifikke stoffer, der forårsagede alvorlige strukturelle ændringer, såsom strontiumcarbonat og cobaltoxid, og fjernede dem med succes for at opnå meget stabile nanokatalysatorer med hensyn til kemiske og fysiske egenskaber.

Da holdet anvendte nanokatalysatoren på en højtemperatur vandelektrolysecelle, mere end fordoblede den brintproduktionshastigheden og fungerede i mere end 400 timer ved 650° uden nedbrydning. Denne teknik blev også med succes anvendt på en praktisk vandelektrolysecelle med stort område, hvilket bekræfter dens stærke potentiale for opskalering og kommerciel brug.

"Vores nyudviklede nanomaterialer opnåede både høj ydeevne og stabilitet til højtemperatur vandelektrolyseteknologi, og det kan bidrage til at sænke produktionsomkostningerne for grønt brint, hvilket gør det økonomisk konkurrencedygtigt med gråt brint i fremtiden," sagde Dr. Kyungjoong Yoon af KIST.

"Til kommercialisering planlægger vi at udvikle automatiserede behandlingsteknikker til masseproduktion i samarbejde med industricelleproducenter."

Flere oplysninger: Mi Young Park et al., In situ syntese af ekstremt små, termisk stabile perovskit nanokatalysatorer til højtemperatur elektrokemiske energienheder, Chemical Engineering Journal (2023). DOI:10.1016/j.cej.2023.146924

Journaloplysninger: Chemical Engineering Journal

Leveret af National Research Council of Science and Technology