Lås op for effektiv brintproduktion til ren energi

Den fortsatte vækst i verdens befolkning og økonomi har medført en betydelig stigning i energiefterspørgslen, hvor omkring 80 % af den dækkes af fossile brændstoffer. Disse ressourcer er ikke kun i hastigt fald, men er også ansvarlige for en betydelig stigning i drivhusgasser (GHG) i miljøet.

Som følge heraf er der nu et stigende fokus på vedvarende energikilder, såsom solen, vind, vand, organisk materiale og Jordens varme.

Fornyet fra naturlige ressourcer, der genopfyldes selv, er vedvarende energikilder vigtige for rene og bæredygtige energisystemer. De står dog over for adskillige udfordringer, herunder uregelmæssig tilgængelighed, høje startomkostninger, geografiske begrænsninger og omfattende pladsbehov. 

Dette er, hvor brint kommer ind i billedet. Den globale efterspørgsel efter brint steg til 97 millioner ton (Mt) i 2023, en stigning på 2,5 % fra året før. 

Hydrogens rolle i overgangen til ren energi

Det letteste grundstof i universet, brint, er dukket op som en lovende løsning for at opnå et mere bæredygtigt energiekosystem på grund af sin fleksibilitet og evne til at lagre en betydelig mængde energi i forhold til sin vægt.

Det er ikke en primær kilde som solen, men en sekundær, da det skal produceres fra andre råmaterialer såsom vand, naturgas eller biomasse.

Når det produceres ved hjælp af fossile brændstoffer såsom naturgas (hvilket i øjeblikket er den mest almindelige metode), er brint ikke ren energi, da det bidrager til betydelige årlige CO2-emissioner.

Når det dog anvendes i en brændselscelle, producerer brint kun vanddamp som biprodukt, hvilket gør det til et rent brændstof.

Som en alsidig energibærer kan brint hjælpe med at løse flere kritiske energiproblemer. Det kan understøtte integrationen af vedvarende energi i elnettet ved at lagre energi i uger eller endda måneder.

Lav-emissionsbrint produceret med kernekraft eller vedvarende energi, eller fossile brændstoffer med kulstoffangst, kan samtidig hjælpe med at dekarbonisere en række sektorer. Tung industri og langdistancetransport, hvor reduktion af emissioner er særligt udfordrende, kan drage stor fordel af det. Denne brintproduktion spiller dog stadig en marginal rolle, med under 1 % i 2023.

Brint kan faktisk udledes fra forskellige teknologier. En af de mest effektive metoder til at producere bæredygtig brint er gennem vandelektrolyse. I denne energiintensive elektrolyse bruges elektricitet til at splitte vand i brint og ilt. Teknologien er veludviklet og kommercielt tilgængelig, selvom den anslåede energieffektivitet er omkring 52 %.

En anden tilgang er plasmolyse, som har vist et energiyield på niveau med elektrolyse, med den ekstra fordel af reduceret strømforbrug, lavere hovedomkostninger og mindre udstyrsstørrelse. Nyere fremskridt inden for mikrofluidik og mikro-plasmer har gjort brintproduktion ved vanddampplasmolyse attraktiv med hensyn til energieffektivitet.

Andre måder at udlede brint til elektricitet på inkluderer fotokatalyse, biobrint og termokemiske processer.

Swipe for at rulle →

Selvom brintteknologi er lovende, står dens udbredte anvendelse stadig over for vanskeligheder med hensyn til produktionsomkostninger, effektivitet og overordnet miljømæssig bæredygtighed. På grund af behovet for renere energikilder ser forskere verden over konstant på at løse disse problemer med nye materialer og bedre teknologi.

Katalysatorinnovationer, der driver brintens effektivitet

Efterhånden som brintteknologier udvikler sig fra koncept til kommercialisering, er en af de vigtigste udfordringer materialerne, der gør disse systemer effektive og skalerbare. For at tackle dette arbejder forskere på forskellige tilgange.

For eksempel introducerede en undersøgelse fra Chinese Academy of Sciences Headquarters, offentliggjort denne måned i offentliggjort¹ en lille jernkatalysator som alternativ til platin i protonudvekslingsmembran‑brændselsceller (PEMFC’er), med potentiale til at transformere fremtiden for ren energi.

PEMFC’er er rene energienheder, der producerer elektricitet fra brint og ilt, med vand som eneste biprodukt. Men de er stærkt afhængige af knap og dyr platin som katalysator. Så for at hjælpe med deres udbredte adoption har forskerne udviklet en højtydende jernbaseret katalysator til disse brændselsceller.

Med sit smarte “indre aktivering, ydre beskyttelse”-design kan den nye katalysator opnå fremragende ydeevne, samtidig med at den reducerer skadelige biprodukter.

Selvom Fe/N–C‑katalysatorer er blandt de mest lovende alternativer til katalysatorer af platin‑gruppemetaller, kan deres aktivitet og holdbarhed ikke opfylde præstationskravene. Så designede og udviklede holdet en ny type Fe/N–C‑katalysator bestående af talrige nanoprotrusioner fordelt på 2D kulstoflag med enkelt Fe‑atomsteder indlejret i den indre buede overflade af nanoprotrusionerne.

Som resultat var den nye katalysator i stand til at levere “en af de bedst præsterende” platin‑gruppemetal‑fri PEMFC‑ydelser, med 86 % aktivitetstilbageholdelse selv efter over 300 timer kontinuerlig drift.

En anden nøgle‑teknologi til at producere brint på en klimaneutral måde gennem vandelektrolyse er Protonudvekslingsmembran‑vandelektrolyse (PEM‑WE).

For at fremskynde den ønskede reaktion er elektroder belagt med specielle elektrokatalysatorer. Til anoden anvendes ofte iridium‑baserede katalysatorer, især til den sure iltudviklingsreaktion (OER).

OER er den iltproducerende fase i vandspaltningsprocessen, der genererer ren brintenergi, men den forbliver udfordrende og ineffektiv. Denne reaktion er mest effektiv, når iridium‑baserede katalysatorer anvendes.

Opdaget i 1803 forekommer iridium ikke i ren form i naturen, men genvindes kommercielt som et biprodukt af produktion af platin, palladium, nikkel eller kobber.

Iridium er et tæt, hårdt metal, der forbliver upåvirket af luft, vand og syrer. På grund af disse egenskaber anvendes det i tændrør, videnskabeligt udstyr, katalysatorer, ledende blæk til elektronik og kræftbehandling.

Metallet bruges sjældent i ren form på grund af vanskeligheder ved fremstilling og bearbejdning; i stedet anvendes det i form af platinlegeringer.

Iridium (Ir) er dog et højt værdifuldt metal og et af de sjældenste naturligt forekommende grundstoffer i Jordens skorpe. Iridiumholdige malme findes i Sydafrika, USA (Alaska), Brasilien, Rusland, Myanmar og Australien.

Dets knaphed, kombineret med den høje efterspørgsel fra industrier som elektronik, gør det meget dyrt. Iridium er faktisk mere værdifuldt end guld og koster næsten $5.000 per ounce.

Derfor giver det mening, at forskere konstant søger efter nye metaller til at erstatte iridium for at hjælpe med den store adoption af PEMWEs. Opdagelsen af ikke‑Ir‑alternativer er dog ikke ligetil og forbliver langsom på grund af det enorme designrum, der er involveret.

For et par måneder siden detaljerede en undersøgelse fra Advanced Institute for Materials Research (AIMR) ved Tohoku University en ny porøs krystallkatalysator som en effektiv og holdbar løsning for ren brintproduktion gennem vandelektrolyse. 

Materialet i denne undersøgelse er mesoporøs enkeltkrystallinsk Co3O4 dopet med atomisk spredt iridium til den sure OER.

Den mesoporøse spinelstruktur spiller en nøglerolle, da den tillader høj Ir‑belastning (13,8 % vægt) uden dannelse af store iridiumklumper. Ud over at give plads til Ir‑belastning hjælper arkitekturen også med at skabe et stabilt miljø.

Katalysatoren opretholdt sin ydeevne i mere end 100 timer med kun 248 mV overpotentiale (η₁₀).

I en anden nylig undersøgelse har forskere oprettet et “megalibrary” for at udforske den katalytiske aktivitet af millioner af forskellige nanostrukturer sammensat af nogle få nøglemetaller, hvilket hjælper med at søge efter alternativer til Ir‑katalysatorer til OER i stor skala og hastighed.

Klik her for at lære, hvordan ikke‑ædle katalysatorer baner vejen for overkommelig brint.

Hurtig katalysatoropdagelse med nanoteknologi

Den seneste undersøgelse har faktisk fundet en ny katalysator til brintbrændstofproduktion, som både er omkostnings- og energieffektiv.seneste undersøgelse har faktisk fundet en ny katalysator til brintbrændstofproduktion, som både er omkostnings- og energieffektiv.

Offentliggjort denne måned i Journal of the American Chemical Society (JACS), blev opdagelsen af katalysatoren gjort ved brug af et nyt nanopartikel‑megalibrary, og den matcher eller overgår iridiums ydeevne i brintbrændstofproduktion til en brøkdel af omkostningerne.

I lang tid har forskere ledt efter alternativer til iridium. Men det, der tog årtier, blev nu opdaget inden for en enkelt eftermiddag ved hjælp af det kraftfulde nye værktøj udviklet af forskere fra Northwestern University.

Dette nyopfundne værktøj kaldes et megalibrary, som er verdens første nanomateriale‑“databygning”. Hver af disse biblioteker indeholder millioner af forskellige nanopartikler på en lille chip.

Teknologien blev derefter brugt i samarbejde med forskere fra Toyota Research Institute (TRI) til at finde kommercielt relevante katalysatorer til brintproduktion. Materialet blev efterfølgende opskaleret og vist at fungere i en enhed. Alt dette blev gjort på rekordtid.

For at opdage nye katalysatorer brugte forskerne fire billige, rigelige metaller, som alle er kendt for deres katalytiske ydeevne. Disse metaller er:

1. Kobolt (CO)
2. Chrom (CR)
3. Mangan (MN)
4. Ruthenium (Ru)

Megalibrary’en blev derefter brugt til hurtigt at screene enorme kombinationer af disse metaller for at finde et nyt materiale, hvis ydeevne kan matche den af iridium.

Holdet fandt et sådant nyt materiale, der var sammenligneligt med kommercielle iridium‑baserede materialer i laboratorieydelse. I nogle tilfælde overgik ydeevnen dem endda til en brøkdel af omkostningerne.

Denne opdagelse kunne potentielt gøre grøn brint overkommelig.

Desuden demonstrerer det nye materiale effektiviteten af megalibrary‑tilgangen, som kan ændre den måde, forskere opdager nye materialer til forskellige anvendelser.

Ifølge seniorforskningsforfatter Chad A. Mirkin, som er den primære opfinder af megalibrary‑platformen og den, der faktisk introducerede megalibraries for omkring et årti siden i 2016:

“Vi har frigivet sandsynligvis verdens mest kraftfulde synteseværktøj, som gør det muligt at søge i det enorme antal kombinationer, der er tilgængelige for kemikere og materialeforskere, for at finde materialer, der betyder noget.”

I megalibrary‑projektet kanaliserede holdet den kapacitet mod et stort problem i energisektoren. Problemet, som nanoteknologipioner Mirkin bemærkede, var:

“Hvordan finder vi et materiale, der er lige så godt som iridium, men er mere rigeligt, mere tilgængeligt og meget billigere? Dette nye værktøj gjorde det muligt for os at finde et lovende alternativ og finde det hurtigt.”

Mirkin er professor i kemi ved Northwestern’s Weinberg College of Arts and Sciences og professor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab, biomedicinsk ingeniørvidenskab samt materialevidenskab og -ingeniørvidenskab ved McCormick School of Engineering.

Grøn brint er et kritisk behov for verden, men den er begrænset af sin afhængighed af et af de sjældenste materialer for at fungere.

“Der er ikke nok iridium i verden til at dække alle vores forventede behov.”

– Ted Sargent, professor i kemi ved Weinberg og professor i elektroteknik og datateknik ved McCormick

Sargent og Mirkin arbejdede sammen på projektet.

“Når vi tænker på at spalte vand for at generere alternative energiformer, er der ikke nok iridium fra et rent forsyningsmæssigt perspektiv.”

– Sargent

Opdagelsen af nye kandidater til at erstatte dette metal udgjorde den perfekte anvendelse for det nye værktøj, som kan revolutionere den langsomme og skræmmende traditionelle proces for materialeforskning. I modsætning til den traditionelle prøve‑og‑fejl‑metode muliggør de nye megalibraries hurtig identifikation af optimale sammensætninger.

Hver megalibrary er blevet oprettet med en gruppe på hundrede tusinder af små, pyramideformede spidser til at printe individuelle ‘prikker’ på en overflade. Hver prik her indeholder en omhyggeligt designet blanding af metalsalte, som ved opvarmning reduceres til at danne enkeltstående, unikke nanopartikler, hver med en præcis størrelse og sammensætning.

Ifølge Mirkin:

“Man kan tænke på hver spids som en lille person i et lille laboratorium. I stedet for at have én lille person, der laver én struktur ad gangen, har man millioner af personer. Så har man i bund og grund en hel hær af forskere udplaceret på en chip.”

I alt havde chippen 156 millioner partikler, hver dannet fra forskellige kombinationer af Co, Cr, Mn og Ru. En robotscanner analyserede derefter, hvor godt de kan udføre en iltudviklingsreaktion (OER).

Denne evne til at screene partikler for deres ultimative ydeevne udgør en stor innovation.

“For første gang var vi ikke kun i stand til hurtigt at screene katalysatorer, men vi så de bedste klare sig godt i en opskaleret indstilling.”

– Studie medforfatter Joseph Montoya, seniorforsker ved TRI

Baseret på vurderingen udvalgte forskerne 40 bedst præsterende kandidater, fra lav til høj aktivitet, til yderligere test i laboratoriet. RuCoMnCr‑oxiderne blev opskaleret til milligramniveauer, før de blev undersøgt for deres katalytiske ydeevne.

En sammensætning skilte sig ud i sidste ende. Denne præcise kombination af alle fire metaller var: Ru52Co33Mn9Cr6‑oxid.

Så holdet var i stand til at få en multi‑metal katalysator, som faktisk er kendt for at være mere aktiv end sine enkeltmetal‑modparter.

“Vores katalysator har faktisk en lidt højere aktivitet end iridium og fremragende stabilitet,” sagde Mirkin. “Det er sjældent, fordi ruthenium ofte er mindre stabilt. Men de andre elementer i sammensætningen stabiliserer ruthenium.”

Katalysatoren genererede en spænding på 1,58 V ved 1 A/cm² og 1,77 V ved 3 A/cm².

Når det gælder langtidsholdbarhed, har denne nye katalysator opereret i over 1.000 timer med høj effektivitet og bemærkelsesværdig stabilitet i et hårdt surt miljø, mens den koster omkring en sekstendedel af iridium.

“Der er meget arbejde at gøre for at gøre dette kommercielt levedygtigt, men det er meget spændende, at vi kan identificere lovende katalysatorer så hurtigt – ikke kun på laboratorieniveau, men også for enheder.”

– Montoya

I processen med at finde en ny katalysator har holdet skabt massive, høj‑kvalitets materialdatasæt, som kan bane vejen for maskinlæring og AI til at designe næste generation af nye materialer.

TRI, Northwestern og deres spinout Mattiq har allerede udviklet en algoritme til at søge i megalibraries med lynhurtig hastighed.

Alligevel er det kun begyndelsen. Ligesom med AI kan megalibrary‑tilgangen skaleres ud over blot accelereret katalysatoropdagelse for energikonvertering til at transformere materialeforskning for næsten enhver teknologi, såsom avancerede optiske komponenter, biomedicinske enheder, batterier og mere.

“Vi vil lede efter alle mulige materialer til batterier, fusion og mere,” sagde Mirkin. “Verden bruger ikke de bedste materialer til sine behov. Folk fandt de bedste materialer på et bestemt tidspunkt, givet de værktøjer, de havde til rådighed. Problemet er, at vi nu har en enorm infrastruktur bygget omkring disse materialer, og vi er fanget i dem. Vi vil vende det på hovedet. Det er på tide virkelig at finde de bedste materialer til ethvert behov – uden kompromis.”

Investering i hydrogenens kraft

Bloom Energy Corp (BE ) er engageret i stationær brændselscelle‑strømproduktion. Det leverer to kommercielle produkter: Bloom Electrolyzer til produktion af brint og Bloom Energy Server til generering af elektricitet.

Virksomheden producerer brint fra den største elektrolyser i verden, som er installeret ved NASA’s Ames Research Center, og genererer omkring 25 % mere brint pr. megawatt end kommercielle elektrolyser som PEM eller alkalisk.

Indtil videre har Bloom Energy implementeret 1,5 GW lavkulstofkraft på over 1.200 installationer globalt.

Med en markedsværdi på $12,38 milliarder handles BE‑aktier til $53,15, op 138,36 % år‑til‑dato. For nylig oversteg aktiekursen $55 og nåede nye højder takket være øget interesse fra hyperscalere og datacentre. Desuden sikrede virksomheden i juli en milepælsaftale med Oracle (ORCL ) og antydede flere sådanne aftaler i fremtiden.

Den har en EPS (TTM) på 0,11 og en P/E (TTM) på 495,23.

Hvad angår finanserne, rapporteredes en 19,5 % årlig stigning i omsætning til $401,2 millioner for andet kvartal, der sluttede den 30. juni 2025. Bruttomarginen for perioden var 26,7 % og non‑GAAP bruttomarginen var 28,2 %. Driftsunderskuddet var $3,5 millioner, og non‑GAAP driftsindtægt var $28,6 millioner.

“Efterhånden som on‑site strøm bliver stadig mere indlysende, givet den hurtige AI‑vækst, har der aldrig været et bedre markedspres for Bloom‑produkterne. I modsætning til alternativer er vores produkter skræddersyet til den digitale revolution.”

– Grundlægger og administrerende direktør KR Sridhar

Seneste nyheder og udviklinger om Bloom Energy Corp (BE) aktien

Konklusion

Det simpleste og mest udbredte grundstof i universet, brint, lover en vej til en grønnere fremtid. Grundstoffet har trods alt potentialet til at brobygge den uregelmæssige tilgængelighed af vedvarende energi og dekarbonisere sektorer, der er svære at reducere. Men for at realisere dette løfte kræves investering, innovation og samarbejde på tværs af industrier.

De seneste gennembrud inden for katalysatorer og elektrolyse kan hjælpe med at øge effektiviteten af brintproduktion, hvilket fremskynder overgangen til en bæredygtig energiekonomi.

Referencer:

1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C., et al. Acidic oxygen reduction by single-atom Fe catalysts on curved supports. Nature, 644, 668–675, offentliggjort 13. august 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6
2.  Wang, Y., Qin, Y., Liu, S., Zhao, Y., Liu, L., Zhang, D., Zhao, S., Liu, J., Wang, J., Liu, Y., Wu, H., Jia, B., Qu, X., Li, H., Qin, M. Mesoporous single-crystalline particles as robust and efficient acidic oxygen evolution catalysts. Journal of the American Chemical Society, 147(16), 13345–13355, offentliggjort 8. april 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.4c18390
3. Huang, J., Wang, Z., Liang, J., Li, X‑Y., Pietryga, J., Ye, Z., Smith, P. T., Kulaksizoglu, A., McCormick, C. R., Kim, J., Peng, B., Liu, Z., Xie, K., Torrisi, S. B., Montoya, J. H., Wu, G., Sargent, E. H., Mirkin, C. A. Accelerating the pace of oxygen evolution reaction catalyst discovery through megalibraries. Journal of the American Chemical Society, 147(34), offentliggjort 19. august 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.5c08326