Ikke-ædle katalysatorer baner vejen for overkommelig brint

Efterhånden som verden bevæger sig væk fra fossile brændstoffer for at afbøde den globale opvarmningskrise, får brint mere opmærksomhed som ‘fremtidens brændstof’.

Dette skyldes flere faktorer, herunder en overflod af vand, højere energiydelse, kun vand som biprodukt og minimale eller ingen drivhusgasemissioner (GHG). Disse egenskaber gør ren brint anvendelig i en række anvendelser såsom transport, elproduktion, opvarmning og industri, herunder stål, kemikalier og cement.

Selvom brint viser enormt potentiale for at dekarbonisere vores samfund, kommer størstedelen af den H₂, der produceres i dag, fra fossile brændstoffer (metan), hvilket medfører betydelige CO₂‑emissioner. Dette betyder, at der er behov for skalerbare alternativer til at producere grøn og ren brint.

Som følge heraf fokuserer den igangværende forskning på at finde effektive og miljøvenlige måder at producere brintbrændstof på.

HER: En lovende vej til produktion af grøn brint

En af de lovende tilgange til produktion af grøn brint, som har fået betydelig opmærksomhed, er vandelektrolyse.

En nøgle‑reaktion, der forekommer i elektrolyse af vand til brintproduktion, er hydrogenudviklingsreaktionen (HER), en grundlæggende proces inden for elektrokemi.

Elektrolyse af vand er simpelthen brug af elektricitet til at splitte vand i ilt (O₂) og brint (H₂) gas, hvilket giver en effektiv og ren metode til at producere brintbrændstof i stor skala.

Takket være dens lille ohmiske tab (som er den potentielle energi, der går tabt som varme, når elektriske ladninger strømmer gennem et medium), høje strøm‑tæthed og lave gas‑crossover‑rate, gør udvidelsen af laboratorie‑HER‑processen til en kommerciel proton‑udvekslingsmembran (PEM) vandelektrolyse en bæredygtig vej til grøn brint.

I PEM‑elektrolyse produceres brint ved at splitte vand ved hjælp af elektricitet og en fast polymer‑elektrolyt. I denne proces påføres først elektricitet for at adskille vandmolekyler i hydrogen‑ioner (protoner), elektroner og ilt. Protonerne bevæger sig derefter gennem membranen, en proton‑ledende polymer, der adskiller anoden og katoden, mens elektronerne løber gennem en ekstern kredsløb.

Ved anoden oxideres vandmolekylet og producerer kun ilt, protoner og elektroner. Ved katoden kombineres protoner og elektroner for at danne brintgas.

Denne metode anvendes til at producere brint til brændselsceller samt i forskellige industrielle processer som gødningsproduktion, raffinering af petroleum og petrokemikalier.

Problemet opstår dog under de hårde driftsforhold, såsom den stærkt reducerende sure elektrolyt‑katalysator‑grænseflade. Dette miljø betyder, at kommercielle PEM‑elektrolyseanlæg er nødt til at bruge en platin (Pt) katode, som ikke er rigeligt tilgængelig og derfor er dyr, for at opretholde høj aktivitet.

De barske betingelser gør sådanne katoder (baseret på ikke‑ædle metaller) uegnede til proton‑udvekslingsmembran (PEM) elektrolyse.

Den brede virkelige anvendelse af PEM på terawatt‑niveau kræver billige katalysatorer til at erstatte ædelmetaller. Selvom jagten på sådanne ikke‑ædle metal‑baserede katoder, der er egnet til PEM‑kommercialisering, pågår, er det fortsat udfordrende.

Her har overgangsmetal‑fosfider (TMP’er) vist lovende som HER‑katalysatorer, men brugen af dem til at erstatte ædelmetaller er stadig i sin spæde start. En primær grund hertil er manglende forståelse af tolerance under hårde driftsforhold samt overvågning af aktive sites‑rotationer under brintgenereringsprocessen.

Strategi for overflade‑rekonstruktion producerer overkommelig brintbrændstof

For nylig er brugen af CoP‑nanopartikler som katoder blevet rapporteret som let integrerbare i industrielle PEM‑vand‑elektrolyseanlæg, hvilket viser deres potentielle kommercielle anvendelser.

Problemet ligger dog i at skalere HER‑reaktionen fra et laboratorieeksperiment til stor‑skala kommerciel produktion, samtidig med at holde omkostningerne nede – noget den seneste undersøgelse har opnået.

Ifølge resultater offentliggjort i Advanced Energy Materials¹ i april 2025 har et forskerteam fra Tohoku University demonstreret udvidet brug af en CoP|F‑katode (F‑modificeret CoP) fra laboratorie‑skala (0,2 cm²) til en kommerciel PEM‑elektrolyse (38 cm²).

Mens de søgte overlegen HER‑ydelse, fandt forskerne, at overflade‑rekonstruktions‑vejen kan skabe langtidsholdbare ikke‑ædle metal‑baserede katoder, der forbedrer HER.

Disse katoder kan opretholde deres ydeevne i over 300 timer. Derudover kom de beregnede omkostninger meget tæt på DOE’s 2026‑mål for H₂‑produktion på 2,00 USD pr. kg H₂.

For at fremskynde den naturligt langsomme og ineffektive HER‑reaktion vendte teamet sig mod TMP’er. Overgangsmetal‑fosfider er en omkostningseffektiv og holdbar ikke‑ædel metal‑katalysator med en unik elektronisk struktur og høj katalytisk aktivitet, hvilket forbedrer HER‑effektiviteten.

Da ædle metaller typisk anvendes til dette formål, mener forskerne, at der er et vidensgab omkring ikke‑ædle metaller, som skal udfyldes.

En ikke‑ædel metal‑katalysator refererer til et alternativt materiale, der er omkostningseffektivt og rigeligt tilgængeligt sammenlignet med ædle metaller. Disse katalysatorer giver justerbar reaktivitet, så de kan tilpasses efter behov for at øge stabilitet, selektivitet og aktivitet i forskellige katalytiske processer.

Teamet fremstillede derfor den F‑modificerede CoP og anvendte derefter operando‑røntgen‑absorptions‑spektroskopi (XAS) og Raman‑målinger til at vurdere dens forskellige egenskaber, såsom overflade‑rekonstruktion og ægte aktive sites.

Resultaterne bekræftede, at tilsætning af fluor til CoP1‑x‑gitteret kan fremme brud på Co‑P‑bindingerne, hvilket fører til rekonstruktion af amorft metallisk Co. Dannelse af fosfor‑ (P)‑vakanse‑sites på overfladen skaber flere aktive sites, hvilket accelererer HER.

Den rekonstruerede overflade udviser høj aktivitet og tolerance i den reducerende sure elektrolyt‑katalysator‑grænseflade. Bemærkelsesværdigt er, at når den anvendes som katode i en kommerciel PEM‑elektrolyse, er CoP|F‑katodens ydeevne sammenlignelig med den avancerede Pt/C‑katalysator til en pris på kun 2,17 USD pr. kg H₂‑1.

“Denne rekonstruerede Co er meget aktiv, fungerer i sure forhold og kan opretholde ca. 76 W i over 300 timer,” sagde Heng Liu, lektor ved Advanced Institute for Materials Research (WPI‑AIMR). “Vi er ved at komme tæt på en overkommelig metode til at producere brændstof,” tilføjede han og bemærkede, at omkostningen kun er 17 cent over det nuværende produktionsmål for 2026.

Med disse imponerende resultater håber forskerne at levere en overflade‑rekonstruktions‑rute til yderst effektive, omkostningsbesparende og holdbare ikke‑ædle metal‑baserede katoder til kommercielle PEM‑elektrolyseanlæg.

Endnu vigtigere er, at opsætningen ikke kun blev testet på laboratorie‑skala med tre elektroder, men faktisk blev udvidet til kommerciel skala. Med dette rationelle design for helt nye katoder, som kan danne grundlag for andre ikke‑ædle metal‑baserede katoder, kan studiet potentielt bygge bro mellem laboratorium og fabrik.

“Vi tænker altid på slutmålet, som er at forskningen skal finde vej ind i hverdagen. Denne fremgang bringer os et skridt tættere på at designe mere realistiske muligheder for kommercielle PEM‑applikationer.”

– Liu

Fremskridt inden for ren brintproduktion

Efterhånden som brint fremstår som en lovende ren og vedvarende energikilde, er der i øjeblikket stort fokus på effektiv produktion af brint, der kan imødekomme kommerciel efterspørgsel, med øget interesse for el‑drevet vand‑splittelse.

Vand‑elektrolyse kan opdeles i to reaktioner: hydrogenudviklingsreaktionen (HER), hvor vand reduceres ved katoden for at producere brint, og ilt‑udviklingsreaktionen (OER), hvor vand oxideres ved anoden for at producere O₂. I begge tilfælde spiller katalyse en central rolle, hvilket skaber et behov for yderst effektive katalysatorer til at producere H₂ og O₂ effektivt.

Netop denne måned, i endnu en undersøgelse fra AIMR, Tohoku University, foreslog forskerne en ny katalysator‑ramme, der tilbyder en potentiel tilgang til billig brintproduktion gennem vand‑elektrolyse. Fokus var dog på OER.

Materialet fokuserer på mesoporøs (porøse materialer med porediametre i intervallet 2–50 nm) enkelt‑krystallinsk Co₃O₄ (kobolt(II, III)oxid) dopet med atomisk spredt iridium (Ir), designet til sur OER.

Selvom Ir er kendt for sin OER‑ydelse, er det sjældent og dyrt. Desuden udgør effektiv udnyttelse af iridium samtidig med at opretholde stabilitet en udfordring ved opskalering af teknologien. Undersøgelsen præsenterer derfor en løsning gennem et materiale, der maksimerer effektiviteten på atom‑niveau.

Med en mesoporøs spinel‑struktur kan katalysatoren have høj Ir‑belastning (13,8 wt %) uden at danne store iridium‑klumper, hvilket muliggør dannelse af Co‑Ir‑bro‑sites. Under sure OER‑forhold udviste disse sites høj indfødt aktivitet.

For at analysere dette kombinerede forskerne eksperimentelle data med beregnings‑modellering, hvilket antyder, at ilt‑intermediat (O*) fuldstændigt dækker Co₃O₄‑overflader. Dette passiverer generelt Co‑sites, men Ir‑doping reaktiverer dem samtidig med, at den strukturelle integritet forbedres.

Undersøgelsen sænkede Ir‑ og Co‑tab til henholdsvis ca. en fjerdedel og en femtedel. Derudover opretholdt katalysatoren ydeevnen i mere end 100 timer.

“Den mesoporøse arkitektur spiller en afgørende rolle. Den giver plads til enkelt‑atom Ir‑belastning og hjælper med at skabe et stabilt miljø for katalytisk aktivitet.”

– Studieleder Professor Hao Li

Fremtidigt arbejde vil fokusere på justering af dopningsniveauet, opskalering af processen og integration i kommercielle elektrolysesystemer.

En anden undersøgelse af en økonomisk iridium‑katalysator bemærkede, at analyser viser, at for at opfylde verdens brint‑efterspørgsel til transport ved brug af Proton‑Exchange‑Membrane Water Electrolysis (PEM‑WE), skal iridium‑baserede anodematerialer være under 0,05 mg Ir/cm². De bedste katalysatorer på markedet i dag, lavet af iridium‑oxid, indeholder omkring 40‑gange så meget.

Det positive er, at løsninger allerede er under udvikling. Heraeus Groups Kopernikus P2X‑projekt skaber en ny, effektiv iridium‑baseret nanokatalysator, bestående af et tyndt lag iridium‑oxid (IrO₂) på en nanoskalig titandioxid (TiO₂)‑support.

P2X‑katalysatoren udviser bemærkelsesværdig stabilitet selv ved langvarig drift og præsterer bedre end den mere krystallinske benchmark.

Udover at arbejde på forskellige teknikker for at gøre brintproduktion omkostningseffektiv, skalerbar og miljøvenlig, undersøger forskere verden over også måder at lagre den effektivt på, hvilket hjælper ren brint med at opnå reel anvendelse.

Tidligere i år demonstrerede et team af videnskabsfolk med støtte fra det amerikanske energiministerium en ny metode til at lagre og frigive flygtig brint. Dette tackler en af de største udfordringer ved brug af brint som brændstof: de høje omkostninger og ineffektivitet ved lagring og transport på grund af dens lave densitet og eksplosive natur.

Forskerne udviklede en type lignin‑baseret jetbrændstof, der kemisk kan binde brint i en stabil flydende form. Ifølge Washington State University‑professor Bin Yang kan teknologien “muliggøre effektiv, høj‑densitets brintlagring i et let håndterbart bæredygtigt luftfartsbrændstof, som eliminerer behovet for tryktanke til lagring og transport.”

Den nye proces anvendte kemiske reaktioner, der genererede aromatiske carbon‑forbindelser og brint fra det laboratorie‑udviklede eksperimentelle lignin‑jetbrændstof. Lignin, som findes i planter, er en naturlig polymer og det næstmest udbredte materiale på Jorden.

I de næste skridt vil forskerne designe en AI‑drevet katalysator for at forbedre reaktionerne, gøre dem mere effektive og omkostningseffektive.

Innovativ virksomhed

Cummins Inc (CMI )

Den globale leverandør af kraftløsninger, Cummins Inc., opererer gennem forskellige segmenter, herunder Motorer, Komponenter, Distribution, Kraftsystemer og Accelera.

Virksomheden udforsker og udnytter i høj grad brint‑motorteknologi for at hjælpe med at bygge en bæredygtig fremtid. Cummins trådte først ind i brintøkonomien i 2019 med opkøbet af Hydrogenics, en producent af brint‑brændselsceller og elektrolyseanlæg. Siden da har de gjort kontinuerlige fremskridt.

Dette inkluderer lanceringen af 15‑L Hydrogen ICE og 15‑L Naturgas‑motorer. Cummins’ portefølje omfatter også brint‑lagringsløsninger og udvikling af brændselscelleteknologi.

For et par år siden startede Accelera også produktion af elektrolyseanlæg i Minnesota, deres første amerikanske elektrolyse‑produktionssted.

“Storskalig elektrolyse for at producere grøn brint er et centralt element i afkarboniseringen af transport og industri.”

– Accelera‑præsident Amy Davis på det tidspunkt.

I marts 2025 blev Cummins samtidig grundlæggende medlem af Hydrogen Engine Alliance of North America (H2EA‑NA), et initiativ dannet af eksperter fra akademia, regering og transportsektoren for at fremme brint‑forbrændingsmotorer (H2‑ICE) og deres anvendelse i marinemotorer samt på‑ og off‑road køretøjer og udstyr.

Hvad angår virksomhedens markedspræstation, har Cummins‑aktierne oplevet en stærk opadgående tendens i over to årtier. Denne rejse har været præget af nedture undervejs, hvilket har givet investorer en god købs­mulighed. Det næsten 16 % fald i Cummins‑aktier indtil nu i år kan ses på samme måde.

På tidspunktet for skrivning handles CMI‑aktier til 294,16 $, hvilket giver Cummins en markedsværdi på 40,38 mia. $. Med dette har de en EPS (TTM) på 28,17, en P/E (TTM) på 10,41 og en ROE (TTM) på 41,27 %. Interessant nok tilbyder Cummins også et udbytte på 2,48 %, hvilket gør dem til en potentielt attraktiv investeringsmulighed.

Når det gælder de finansielle tal, var omsætningen i 2024 – et år, virksomheden kaldte “transformativt” for at have gjort “betydelige fremskridt i at fremme vores Destination Zero‑strategi” og leveret “rekordresultater” – flad på 34,1 mia. $.

Dette skyldtes, at salget i Nordamerika steg med 1 % på trods af et fald i efterspørgslen efter tunge lastbiler, mens internationale indtægter faldt med 1 % i forhold til året før. En årsag hertil var Atmus Filtration Technologies (ATMU ) , som adskilte sig fra Cummins sidste år for at blive et fuldt uafhængigt selskab. Derudover gennemgik Accelera en omstrukturering, som medførte omkostninger på grund af beslutningen om at strømline driften og fokusere investeringerne.

Cummins’ nettoresultat for hele 2024 var 3,9 mia. $, svarende til 28,37 $ pr. udvandet aktie, hvilket steg markant på grund af gevinsten relateret til Atmus‑adskillelsen.

For dette år forventer Cummins, at omsætningen vil ligge i intervallet -2 % til +3 % på grund af “let svagere” efterspørgsel, der forventes i Nordamerika. Alligevel delte virksomheden en forpligtelse til deres langsigtede strategiske mål om at returnere 50 % af drifts‑cash‑flow til aktionærerne.

I 2024 øgede Cummins faktisk deres kontantudbytte på almindelige aktier for 15. år i træk og returnerede 969 mio. $ til aktionærerne via udbytte.

Andre udviklinger fra virksomheden i det forgangne år inkluderer introduktionen af Cummins HELM (Higher Efficiency, Lower Emissions and Multiple Fuels) motorplatformen, implementeret i deres B‑, X10‑ og X15‑serier, samt lanceringen af en ny motor udelukkende til den japanske bilproducent Isuzus nye linje af mellemstore lastbiler.

Derudover dannede Accelera, EVE Energy, Daimler Trucks & Buses og PACCAR (PCAR ) deres joint venture kaldet Amplify Cell Technologies for at lokalisere battericelle‑produktion og batteriforsyningskæden i USA. Amplify er allerede begyndt på opførelsen af en 21 GWh‑fabrik med mål om at starte produktionen i 2027.

Seneste om Cummins Inc.

Konklusion

Et lovende alternativ til fossile brændstoffer er ren brint. Denne kritiske komponent i den globale dekarboniseringsstrategi tilbyder høj energitæthed, ikke‑forurenende biprodukter og alsidighed på tværs af forskellige sektorer, hvilket gør det afgørende at udvikle omkostningseffektive metoder til brintproduktion.

PEM‑elektrolyse er en sådan tilgang, der kan hjælpe med at fremme verdens energiovergang. Her erstatter forskere fra Tohoku University dyre platin‑katalysatorer med overflade‑engineerede ikke‑ædle metal‑alternativer, hvilket markerer et vigtigt skridt i at gøre ren brint kommercielt levedygtig.

Dens omkostningsfordele ligger tæt på DOE‑målet i USA, og opskaleringen af CoP|F‑katoden i reelle PEM‑elektrolyseanlæg viser, at vi potentielt låser op for ren brint som en massemarkedsløsning til globale energibehov!

Klik her for at lære, hvorfor brint stadig kan være fremtidens brændstof.

Studier refereret:

1. Wu, R., Liu, H., Xu, J., Qu, M.-R., Qin, Y.-Y., Zheng, X.-S., Zhu, J.-F., Li, H., Su, X.-Z., & Yu, S.-H. (2025). Overflade‑rekonstruktion aktiverer ikke‑ædel metalkatode til proton‑udvekslingsmembran vandelektrolyse. Advanced Energy Materials, 15(10), 2405846. https://doi.org/10.1002/aenm.202405846