‘S Werelds meest duurzame waterstofbrandstofcel baant weg voor bredere toepassing van groene energie

Groene Energie Waterstof Wind Zonne-energie

Een nieuwe waterstofbrandstofcel is niet alleen ‘s werelds meest duurzame[1] tot nu toe, maar is ook kosteneffectiever en maakt de weg vrij voor een bredere toepassing van groene energie in het streven naar een koolstofneutrale wereld.

Wetenschappers van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) hebben een nieuwe waterstofbrandstofcel ontwikkeld. Het is niet alleen ‘s werelds meest duurzame[1] tot nu toe, maar het is ook kosteneffectiever en maakt de weg vrij voor een bredere toepassing van groene energie in het streven naar een koolstofneutrale wereld.

Waterstofbrandstofcellen zijn een veelbelovende optie voor schone energie omdat ze efficiënt stroom opwekken door waterstof en zuurstof om te zetten in elektriciteit, zonder uitstoot van kooldioxide, fijnstof en andere luchtverontreinigende stoffen die smog en andere gezondheidsproblemen kunnen veroorzaken. Waterstofbrandstofcellen moeten nog op grote schaal worden gecommercialiseerd, ondanks hun milieuvoordelen en jarenlange ontwikkeling. Dat komt omdat de stroomopwekking sterk afhankelijk is van een elektrokatalysator – die grotendeels bestaat uit het zeer dure en zeldzame metaal platina.

Onderzoekers hebben ernaar gestreefd om alternatieven te ontwikkelen door platina te vervangen door meer gebruikelijke en goedkope materialen zoals ijzer-stikstof-koolstof. Deze materialen zijn echter ofwel inefficiënt gebleken bij het opwekken van energie of hebben te lijden gehad van een slechte duurzaamheid.

's Werelds meest duurzame waterstofbrandstofcel

(Links) De nieuwe hybride katalysator handhaaft de katalytische activiteit van platina op 97% na 100.000 cycli van versnelde stresstest; (Rechts) De nieuwe elektrokatalysator bevat atomair gedispergeerd platina, enkele ijzeratomen en platina-ijzer nanodeeltjes. Krediet: HKUST

Nu heeft een onderzoeksteam onder leiding van prof. Minhua Shao van het Department of Chemical and Biological Engineering van HKUST, ontdekte een nieuwe formule. Het vermindert niet alleen het aandeel platina dat wordt gebruikt met 80 procent, maar het heeft ook een record gevestigd op het gebied van duurzaamheid van de cel.

Minhua Shao

Professor Minhua Shao van HKUST’s Department of Chemical and Biological Engineering en de directeur van HKUST Energy Institute bezit het prototype van de nieuwe waterstofbrandstofcel. Krediet: HKUST

Ondanks een laag platina-aandeel, slaagde de nieuwe hybride katalysator die door het onderzoeksteam werd ontwikkeld erin om de katalytische activiteit van platina op 97% te houden na 100.000 cycli[2] van een versnelde stresstest, vergeleken met de huidige katalysator, die normaal gesproken al na slechts 30.000 cycli een prestatiedaling van meer dan 50% ziet. In een andere test vertoonde de nieuwe brandstofcel geen prestatieverlies na 200 uur gebruik.[3]

Een van de redenen achter zulke uitstekende prestaties was het feit dat de nieuwe katalysator drie verschillende actieve plaatsen voor de reactie heeft, in plaats van slechts één in de huidige katalysatoren. Met behulp van een formule die atomair gedispergeerd platina, enkele ijzeratomen en platina-ijzernanodeeltjes bevat, versnelt de nieuwe mix de reactiesnelheid en bereikt een katalytische activiteit die 3,7 keer hoger is dan die van platina zelf. Theoretisch, hoe hoger de katalytische activiteit, hoe groter het vermogen dat het levert.

prof. Shao, ook de directeur van HKUST Energy Institute, zei: “Waterstofbrandstofcel is een apparaat voor energieconversie dat essentieel is voor ons streven naar een koolstofneutrale wereld. Het is nodig om het gebruik ervan uit te breiden in onze strijd tegen klimaatverandering. We zijn verheugd om te zien dat onze onderzoeksresultaten dit doel een stap dichterbij brengen. Dankzij het Green Tech Fund van de regering zullen we proberen de katalysator verder te verfijnen en compatibel te maken met brandstofcelvoertuigen en andere elektrochemische apparaten.”

De studie werd financieel ondersteund door het National Key R&D-programma van China, het Shenzhen Science and Technology Innovation Committee en de Research Grant Council van de Speciale Administratieve Regio Hong Kong. De onderzoeksresultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Katalyse van de natuur.

Opmerkingen:

  1. Volgens de testprotocollen van het Amerikaanse ministerie van Energie bij het beoordelen van de duurzaamheid van brandstofcellen.
  2. Eén cyclus komt overeen met 3 seconden met een spanningsniveau van 0,6 V, gevolgd door nog eens 3 seconden met een spanningsniveau van 0,9 V.
  3. Het spanningsniveau is ingesteld op 0,6V.

Referentie: “Atomair verspreide Pt- en Fe-sites en Pt-Fe-nanodeeltjes voor duurzame brandstofcellen met protonenuitwisselingsmembraan” door Fei Xiao, Qi Wang, Gui-Liang Xu, Xueping Qin, Inhui Hwang, Cheng-Jun Sun, Min Liu, Wei Hua , Hsi-wen Wu, Shangqian Zhu, Jin-Cheng Li, Jian-Gan Wang, Yuanmin Zhu, Duojie Wu, Zidong Wei, Meng Gu, Khalil Amine en Minhua Shao, 2 juni 2022, Natuur Katalyse.
DOI: 10.1038/s41929-022-00796-1

Financiering: National Key Research and Development Program van China, Shenzhen Science and Technology Innovation Committee, de Research Grant Council van de Hong Kong Special Administrative Region, Innovation and Technology Commission van de Hong Kong Special Administrative Region, Foshan-HKUST Project, Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Shenzhen Natural Science Fund

Leave a Comment