Superporeus en compact nanomateriaal maakt productie van waterstof kostenefficiënter

Een nieuw superporeus en compact nanomateriaal maakt efficiënte elektrochemische reacties mogelijk. Het materiaal kan een belangrijke stap vormen in het kostenefficiënt produceren van waterstof met behulp van elektrolyse.

Het nanomateriaal is ontwikkeld door onderzoekers van imec en KU Leuven, die partners zijn binnen EnergyVille. Dit is een samenwerking tussen de Belgische onderzoekspartners KU Leuven, VITO, imec en UHasselt voor onderzoek naar duurzame energie en intelligente energiesystemen.

Belangrijke rol weggelegd voor waterstof

Groene waterstof en andere groene moleculen speelt naar verwachting een essentiële rol bij het realiseren van de klimaatdoelstellingen die onder meer vanuit de Europese Unie (EU) worden gesteld. Zo is er vooralsnog geen alternatief voor waterstof voor de decarbonisatie van de staal- en cementindustrie evenals de koolstofvrije productie van kunstmest. Ook kan waterstof een grote rol spelen in sectoren die lastig elektrificeerbaar zijn. Denk hierbij aan langeafstandstransport.

Hoewel we steeds meer waterstof gebruiken, is het aandeel van groene waterstof beperkt. Groene waterstof is waterstof die is geproduceerd met behulp van duurzame energiebronnen. In de praktijk betekent dit dat de elektriciteit die bij elektrolyse wordt ingezet afkomstig is uit duurzame energiebronnen, zoals zonne- of windenergie. Indien dit niet het geval is spreken we van grijze waterstof. Een grootschalige en kostenefficiënte productie van groene waterstof brengt technologische uitdagingen met zich mee.

Water ontleden in waterstof en zuurstof

Elektrolyse is een chemische reactie waarbij onder invloed van elektrische stromen samengestelde stoffen ontleed worden. In het geval van waterstof betekent dit dat elektrolyse water ontleedt tot water en zuurstof. De reactie in de elektrolyser die hierbij een cruciale rol kent speelt zich af aan het oppervlak van de elektrodes. Hoe poreuzer het elektrodemateriaal, hoe efficiënter het waterstofgas uit reactieoppervlakken weggevoerd kan worden.

Imec en KU Leuven ontwikkelden de afgelopen jaren een nieuw materiaal dat zowel zeer poreus is als een uitzonderlijk groot reactief oppervlak kent, samengeperst in een klein volume (26 m²/cm³). Het materiaal is opgebouwd uit draden van 40 nanometer dun, wat neerkomt op een duizendste van een haar. Onder een elektronenmicroscoop ziet het materiaal eruit als een driedimensionaal kippengaas.

Niet-poreuze drager levert belemmeringen op

Het materiaal is niet nieuw. Tot voor kort moest het nanomateriaal echter ondersteund worden door een niet-poreuze drager. Deze zorgt voor de benodigde robuustheid, maar belemmert tegelijkertijd de instroom van reagentia en de uitstroom van waterstofgas. imec meldt dat het ‘enorme potentieel van het nanomateriaal’ hierdoor onbenut bleef.

Deze drager is nu door de onderzoekers volledig opengemaakt met een poreuze structuur, die vanaf alle kanten toegankelijk is. Op basis hiervan ontwikkelden de onderzoekers een nikkel-elektrode. Hiermee tonen zij aan dat bijna de volledige theoretische oppervlakte ook effectief benut wordt tijdens de elektrochemische reacties.

Meer stroom leidt tot meer waterstof én hogere verliezen

Hoe meer stroom je door een elektrolysecel stuurt, hoe meer waterstof er gevormd wordt. Tegelijkertijd stijgen echter ook de verliezen in energie-efficiëntie. Het nanomateriaal biedt hiervoor een oplossing. In vergelijking met conventionele nikkel-elektrodes kunnen ze tientallen keer hogere stroomdichtheden verwerken met dezelfde energie-efficiëntie. Het nanomateriaal levert zo een hoger rendement op dan gangbare poreuze alternatieven.

“Om op gigawatt-schaal groene waterstof te kunnen produceren op offshore windparken, waar elke vierkante meter van tel is, heb je compacte elektrolysers nodig met een hoog rendement. Deze nieuwe elektrode vormt een veelbelovende component in de ontwikkeling van dergelijke elektrolysers. De ontwikkeling van die elektrolysecomponenten zetten we verder binnen het bedrijf Hyve, in samenwerking met VITO, DEME, John Cockerill, Colruyt en Bekaert”, legt Bart Onsia, business development manager bij imec/EnergyVille, uit.

‘Industriële toepassingen komen snel dichterbij’

Philippe Vereecken, imec fellow en deeltijds hoogleraar aan KU Leuven, voegt toe: “Dankzij onze snelle progressie in het onderzoek komen de industriële toepassingen van ons nanomateriaal snel dichterbij. De technologie is niet afhankelijk van zeldzame grondstoffen en vertrouwt op algemeen beschikbare productietechnologieën die gemakkelijk op te schalen zijn. Bovendien onderzoeken we binnen imec samen met VITO ook hoe we deze materialen kunnen inzetten voor CO2-reductie.”

Nina Planckensteiner, Marie-Curie postdoc aan imec: “Dat is meteen het mooie van deze nanostructuren: je kan ze in zowat alle metalen aanmaken waardoor een scala aan duurzame toepassingen mogelijk is: nikkel in elektrolysereacties, zilver en koper voor CO2-reductie, platina voor katalysatoren, enzovoort.”

Meer informatie is beschikbaar in Materials Today Energy, waar de onderzoekers hun onderzoeksresultaten publiceren.

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Afbeelding: Rony Michaud via Pixabay