Platin-fri hydrogenkatalysator: Et skridt fremad i ren energiteknologi

En ren energitransition sker over hele verden, da den forværrede klimakrise skaber et akut behov for at dekarbonisere energisystemerne. 

I modsætning til fossile brændstoffer som kul og olie udleder rene energikilder ikke store mængder drivhusgasser (GHG) som metan, CO2, lattergas eller andre forurenende stoffer under deres produktion, hvilket bidrager til et sundere miljø.

Interessant nok kan ren energi komme fra vedvarende kilder som solen, som er konstant genopfyldt og tilgængelig over hele planeten, såvel som ikke‑vedvarende kilder som kerneenergi, som bruger endelige ressourcer (uran). 

Sammenlignet med deres fossile modparter har rene energikilder også lavere vedligeholdelses- og driftsomkostninger, hvilket muliggør mere stabile priser for forbrugerne.

Med dette vokser renenergiindustrien hurtigt, med investeringer i cleantech‑teknologier, der reducerer miljøpåvirkningen og fremmer bæredygtighed, og når et rekord på $71 milliarder i Q3 2024, ifølge Deloitte. 

Now, when it comes to clean energy sources, here are the most prominent ones:

1. Solar – Solens stråling udnyttes her ved hjælp af teknologier som fotovoltaiske (PV) paneler, der omdanner sollys direkte til elektricitet. I 2024 steg den globale solkapacitet markant og tilføjede bemærkelsesværdige 593 GW sol‑PV‑kapacitet. 
2. Wind – Vindens kinetiske energi omdannes til elektricitet af turbiner. Afhængigt af placeringen af turbinerne kan den være af to typer: landvind, hvor vindparker er placeret på land, og havvind, hvor vindparker er placeret til havs. 
3. Water – Den kinetiske energi fra flydende vand bruges til at generere elektricitet, primært gennem dæmninger og turbiner. Vandkraft bidrager med omkring 15% af den samlede elproduktion. 
4. Geothermal – Denne energiform udnyttes gennem jordens indre varme og opnås via geotermiske kraftværker placeret i underjordiske reservoirer.  
5. Biomass – Her udnyttes organisk materiale som afgrødejord og skovaffald. 
6. Nuclear – Det er energien fra en atom med kraft opnået gennem kernespaltning og kernesfusion. Ifølge Deloittes undersøgelse af energi og forsyning vil avancerede kerneteknologier spille den vigtigste rolle i at imødekomme den stigende efterspørgsel efter energi i de kommende år. 
7. Hydrogen – Hydrogen produceres fra forskellige ressourcer, og når det forbruges i en brændselscelle, producerer det kun vand. Det amerikanske energiministerium (DOE) har afsat $7 milliarder til at udvikle hydrogen‑knudepunkter. 

Hydrogen som en kraftfuld ren brændstof

Det allerførste grundstof i det periodiske system, hydrogen (H), er en farveløs, lugtfri, smagløs, meget brændbar og ikke‑giftig gas. Det er også det simpleste, letteste og mest udbredte grundstof.

Men det, der gør det ekstremt attraktivt, er, at når det forbrændes, producerer hydrogen kun vanddamp. Når det produceres ved hjælp af vedvarende energi, kan grøn hydrogen især hjælpe med at dekarbonisere sektorer som transport og elproduktion.

Midt i samfundets stigende energibehov tilbyder hydrogen en yderst effektiv ren energikilde, der potentielt kan produceres fra forskellige kilder. Det er faktisk en energibærer, der kan bruges til at flytte, lagre og levere energi produceret fra andre kilder.

Now, the most common ways to produce hydrogen fuel are:

1. Thermal Process – Produceret ved en højtemperaturproces kaldet dampreformering, hvor hydrogen dannes, når damp reagerer med kulbrændstoffer som naturgas, diesel, gasificeret kul, gasificeret biomasse og vedvarende flydende brændstoffer.
2. Electrolytic Process – Vand (H2O) adskilles i ilt og hydrogen ved hjælp af en elektrisk strøm. Processen foregår i en elektrolyseapparat, hvor elektricitet passerer gennem vandet og får molekylerne til at adskilles.
3. Solar-driven Process – Lys bruges til at producere hydrogen og omfatter forskellige tilgange, såsom fotobiologisk, fotoelektrokemisk og sol‑termokemisk. 
4. Biological Process – Hydrogen produceres gennem biologiske reaktioner ved hjælp af mikrober som bakterier og mikroalger.

Hydrogen har et meget stort potentiale til at imødekomme samfundets behov for ren energi, men problemet er, at der stadig er udfordringer, der skal overvindes. Disse udfordringer omfatter masseproduktion, transport og lagring. Derudover skal hydrogenproduktion være stabil og billig.

Hydrogenudviklingsreaktionen (HER) betragtes som den mest miljøvenlige og bæredygtige metode til hydrogenproduktion. Det er en katodisk reaktion, der involverer elektrolyse af vand.

I denne elektrokemiske vandspaltning anvendes blandt andet platin, nikkel og andre overgangsmetaller som katalysatorer, der reducerer protoner til brintgas.

Problemet opstår med det metal, der oftest bruges som katalysator, platin, som selvom det giver en meget effektiv katalytisk ydeevne, lider under sjældenhed og høje omkostninger. Derfor er der et stigende fokus på alternative katalysatorer for at minimere forbruget af ædle metaller.

Platinens rolle i at gøre hydrogen rent

Et skinnende, sølvhvidt metal, der nogle gange forveksles med sølv, er platin (Pt) nøglen til at nå målet om netto‑nul emissioner. Dette tætte, smidige og glansfulde metal er meget ureaktivt og modstandsdygtigt over for korrosion, selv ved høje temperaturer.

Det er dog et ekstremt sjældent metal, over 30 gange sjældnere end guld, med en koncentration på kun 0,005 ppm i jordens skorpe. Som et knapt metal er platin svært og dyrt at udvinde, hvilket betyder et dyrere slutprodukt.

Metallet udvindes primært i Sydafrika, som udgør over 70 % af den globale platinforsyning, sammen med Rusland, Zimbabwe, Canada og USA.

Når det gælder anvendelsesområder, bruges platin til at fremstille smykker, men vigtigst af alt anvendes det i elektroniske komponenter og katalysatorer for at reducere transportemissioner. I 2022 blev omkring 85 tonne af metallet brugt kun til katalysatorer. Det fremstår også som et kritisk mineral i den globale energitransition.

Metallet er særligt uvurderligt i elektrolyttere, som findes i forskellige typer, men udviklere af hydrogenprojekter foretrækker protonudvekslingsmembran (PEM) elektrolyse. Som et mere effektivt alternativ til alkalisk elektrolyse bruger PEM‑elektrolyttere platin til at fremstille ekstremt højtydende katalysatorer.

Platin bruges også i PEM‑brændselsceller, som fungerer som PEM‑elektrolyttere, men i omvendt retning. I stedet for at adskille hydrogen og ilt kombinerer den dem ved hjælp af platin som katalysator.

Hydrogenbrændselsceller består af to elektroder – en anode (negativ elektrode) og en katode (positiv elektrode) med en elektrolyt, der adskiller dem. En katalysator, som er et lag af metal som platin, ved anoden spaltes hydrogenmolekyler i protoner og elektroner, som bevæger sig mod katoden for at skabe en elektrisk strøm.

Den fremragende ledningsevne og kemiske stabilitet af platin er det, der gør det så effektivt som katalysator. Dens effektivitet er nøglen til at opnå høje energikonverteringsrater i brændselsceller, så de kan konkurrere med traditionelle energikilder.

Efterhånden som behovet for dekarbonisering fortsætter med at stige, forventes efterspørgslen efter platin at stige takket være platinbaserede PEM‑teknologier, som har potentialet til at opnå en reduktion på 11 % af de globale CO₂‑emissioner.

Derfor er der et stigende fokus på dette metal verden over. I USA indeholder Inflation Reduction Act en skattefordel for lav‑kulstof hydrogen med det formål at fremskynde produktionen af ren hydrogen og adoption af brændselscelle‑EV’er. REPowerEU fra EU‑kommissionen har derimod som mål at fordoble kapaciteten af ren hydrogen til 80 GW inden 2030.

Dette globale skub, ifølge World Platinum Investment Council, kan gøre produktionen af ren hydrogen til den største kilde (35 %) til platinefterspørgsel inden 2040.

Udover de ubalancerede efterspørgsels‑forsyningsdynamikker medfører brugen af ædle metaller som platin yderligere udfordringer, såsom høje omkostninger, potentiel nedbrydning og miljømæssige bekymringer. Som følge heraf har forskere løbende arbejdet på måder at fjerne platin som hydrogenkatalysator og finde bedre alternativer.

Klik her for at lære alt om investering i platin.

Fremstilling af platin‑fri katalysatorer

I jagten på platin‑fri hydrogen udfører forskere fra UNSW Sydney en undersøgelse for at tackle problemerne forbundet med brugen af det ædle metal i brændselsceller. 

Forskerne udviklede en ny teknik til at forstå, hvorfor nogle katalysatormaterialer har mindre stabilitet end Pt, hvilket vil hjælpe andre forskere med at udvikle nye materialer og forbedre de fremtidige udsigter for platin‑fri katalysatorer i brændselsceller.

De udviklede teknikker afslørede, at op til 75 % af de jern‑baserede aktive steder i brændselscellen blev inaktive i de første 10 timer af driften. Dette skyldtes primært tabet af jern‑aktive steder, med kulkorrosion som en anden årsag. 

I en separat undersøgelse¹ fandt forskere fra University of Wisconsin‑Madison, Cornell University og Wuhan University en ny måde at katalysere reaktionen på for at fremstille brændselsceller.

Forskerne brugte det billige, ikke‑ædle metal nikkel til både katode‑ og anode‑elektroderne i brændselscellen. Den nikkel‑baserede elektrokatalysator blev designet med en 2‑nanometer skal af kvælstof‑dopet kul.

Indlejring af enkelte nikkel‑atomer i en grafen‑lignende kappe af kul‑ og kvælstofatomer gjorde dem modstandsdygtige over for oxidation og bundede hydrogenatomer med den ideelle styrke, der kræves for en effektiv hydrogenoxidationsreaktion (HOR).

Således skabte forskerne en brændselscelle med en anode‑katalysator bestående af en solid nikkelkerne indkapslet i en kulskal og en katode af kobolt‑mangan, som er fri for ædle metaller og leverer over 200 mW/cm².

I 2020 fandt videnskabsfolk ved DOE’s Argonne National Laboratory og udviklede den mest lovende platin‑fri katalysator til brændselsceller, der er afhængige af iltreduktionsreaktionen (ORR). Den var baseret på jern, kvælstof og kul, som blev blandet og opvarmet mellem 900 og 1100 °C i pyrolyse.

Derefter blev materialets jernatomer bundet til kvælstofatomer og indlejret i grafen. Her udgør hvert jernatom et sted, hvor ORR kan forekomme, hvilket gør elektroden mere effektiv.

Midt i den øgede interesse for at reducere afhængigheden af dyrt platin og forbedre effektiviteten og omkostningseffektiviteten af brændselsceller og elektrolyse, har videnskabsfolk nu udviklet en palladium‑baseret nanosheet‑katalysator, hvis ydeevne er på niveau med platin i hydrogenproduktion.

Palladium som et alternativ til platin for overkommelig hydrogen

Den seneste² undersøgelse kom fra forskere ved Tokyo University of Science (TUS), som har udviklet en ny hydrogenudviklingskatalysator, bis(diimino)palladium‑koordinations‑nanosheets (PdDI).

Palladium er et skinnende, sølvfarvet metal og et af de mest udbredte platin‑gruppe metaller med en tæthed langt lavere end platin.

Brugen af palladium, som tilbyder platin‑lignende effektivitet til en brøkdel af omkostningerne, baner vejen for overkommelig og bæredygtig hydrogenproduktion for at fremskynde den rene energirevolution. 

Ledet af professor Hiroshi Nishihara og Dr. Hiroaki Maeda fra TUS i samarbejde med forskere fra andre institutter markerer undersøgelsen et gennembrud inden for hydrogenudviklingsreaktionen (HER) teknologi.

HER‑katalysatorelektroderne muliggør omdannelsen af H, som produceres på elektrodens overflade under vandspaltning, til brintgas (H2). For at overvinde begrænsningerne ved Pt, som begrænser dets storskalige anvendelse som HER‑katalysator, tilbyder teamet et yderst effektivt alternativ til platin‑katalysatorer ved hjælp af en simpel synteseproces.

Teamet skabte palladium‑baserede nanosheets, som har evnen til at opnå høj katalytisk aktivitet med reduceret brug af ædle metaller, hvilket betydeligt sænker omkostningerne ved H2‑produktion.

Som Dr. Maeda bemærkede, \”udvikling af effektive HER‑elektrokatalysatorer er nøglen til bæredygtig H2‑produktion\” og \”Bis(diimino)metal‑koordinations‑nanosheets, med deres høje ledningsevne, store overfladeareal og effektiv elektronoverførsel, er lovende kandidater.\” Ud over disse egenskaber reducerer den sparsomme metalindretning i nanosheets materialeforbruget. 

PdDI‑nanosheets, dvs. E‑PdDI og C‑PdDI, blev med succes udviklet ved hjælp af to forskellige metoder:

1. Elektrokemisk oxidation
2. Gas‑væske‑grænsefladesyntese

Når de er aktiveret, viste E‑PdDI‑arkene et lavt overpotentiale på 34 mV, hvilket betyder, at der kun kræves lidt ekstra energi til hydrogenproduktion. Det matcher ikke kun platinens overpotentiale på 35 mV, men også det ædle metals katalytiske ydeevne med en udvekslingsstrøm‑densitet på 2,1 mA/cm².

Den “bemærkelsesværdige ydeevne” overgår ikke kun Pd‑metal‑elektroder, men også konventionelle MDI‑(M=Ni, Co, Cu) nanosheets, bemærkede undersøgelsen, og tilføjede, at denne ekstraordinære ydeevne blev opnået på trods af brug af meget små mængder af ædle metaller.

Med disse resultater præsenterer E‑PdDI de mest effektive HER‑katalysatorer, der nogensinde er udviklet, hvilket gør den til et lovende lavprisalternativ til platin.

Når det gælder langtidsholdbarhed, som er et af de kritiske aspekter ved enhver katalysator, udviste PdDI‑nanosheets også fremragende holdbarhed. De forblev intakte efter 12 timer i sure forhold, hvilket bekræfter deres anvendelighed i virkelige hydrogenproduktionssystemer.

“Vores forskning bringer os et skridt tættere på at gøre H2‑produktion mere overkommelig og bæredygtig, et afgørende skridt for at opnå en ren energifremtid.”

– Dr. Maeda

Ved at reducere afhængigheden af knappe og dyre platin, er bis(diimino)palladium‑koordinations‑nanosheets (PdDI) også i overensstemmelse med FN’s mål for bæredygtig udvikling (SDG’er), som fremmer overkommelig og ren energi samt innovation og infrastruktur. 

Bemærkelsesværdigt er undersøgelsen ikke begrænset til laboratorieeksperimenter. Omkostningseffektiviteten, skalerbarheden og den forbedrede aktivitet af PdDI‑nanosheets gør dem yderst nyttige i storskalige energilagringssystemer, brændselsceller og industriel hydrogenproduktion.

Desuden kan PdDI reducere minedriftsrelaterede emissioner forbundet med platin‑baserede katalysatorer, hvilket fremskynder overgangen til en bæredygtig hydrogenøkonomi. Det næste skridt for TUS‑teamet er at optimere PdDI‑nanosheets til anvendelse i den virkelige verden.

Klik her for at lære alt om investering i palladium

Investerbare innovative virksomheder 

Lad os nu se på et fremtrædende navn inden for området, som hjælper med at fremme ren energiteknologi, herunder udviklingen af platin‑fri hydrogenkatalysatorer.

Plug Power Inc.

Det $1,54 milliarder markedsværdi‑selskab specialiserer sig i hydrogenbrændselscellet‑systemer og har forsket i ikke‑platin‑katalysatorer for at reducere omkostninger og forbedre effektiviteten.

På tidspunktet for skrivning handles PLUG-aktier til $1,71, ned 21,6 % år‑til‑dato. Dens EPS (TTM) er -2,54, og P/E (TTM) er -0,65.

For Q4 2024 rapporterede Plug Power (PLUG ) $191,5 millioner i omsætning og et brutto‑margin‑tab på 122 %, mens drifts‑cash‑flow forbedredes med 46 % YoY. Det afsluttede året med over $200 millioner i ubegrænset likviditet. Virksomheden afsluttede for nylig et $1,66 milliarder DOE‑lånegarantiprogram.

I denne periode fortsatte Plug Powers elektrolyttforretning med at vokse, og hydrogenforretningen blev styrket.

“2024 var et år med stærk gennemførelse og meningsfuld strategisk fremgang for Plug, da vi avancerede vores initiativer og gjorde fremskridt i at drive hydrogenøkonomien fremad.”

– CEO Andy Marsh

Seneste om Plug Power

Konklusion

Med verdens befolkning, der vokser hurtigt, og som forventes at stige til cirka 10,3 milliarder i midten af 2080’erne, vil problemet med drivhusgasemissioner blive endnu mere alvorligt. Dette skaber et behov for at reducere vores afhængighed af fossile brændstoffer og adoptere energikilder, der er rene, sikrere, rigelige og miljøvenlige.

Her er hydrogenenergi fremstået som en vigtig drivkraft for en ren og bæredygtig fremtid, der tilbyder et nul‑emissionsalternativ til fossile brændstoffer. Selvom den er lovende, er storskalaproduktionen af hydrogen stærkt afhængig af dyre platin‑baserede katalysatorer, hvilket gør omkostninger til en stor udfordring for industrien.

Ved at erstatte det ædle Pt‑metal med PdDI‑nanosheets har den seneste undersøgelse opnået et gennembrud i omkostningseffektiv produktion af elektroder og leveret fremragende resultater i elektrodforsyningsindustrien, hydrogenproduktion og bilindustrien.

Klik her for en liste over de bedste ren‑energi‑aktier med miljøfokus. 

Studier refereret:

1. Gao, Y., Yang, Y., Schimmenti, R., Murray, E., Peng, H., Wang, Y., Ge, C., Jiang, W., Wang, G., DiSalvo, F. J., Muller, D. A., Mavrikakis, M., Xiao, L., Abruña, H. D., & Zhuang, L. (2022). A completely precious metal–free alkaline fuel cell with enhanced performance using a carbon-coated nickel anode. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(13), e2119883119. https://doi.org/10.1073/pnas.2119883119

2. Maeda, H., Phua, E. J. H., Sudo, Y., Nagashima, S., Chen, W., Fujino, M., Takada, K., Fukui, N., Masunaga, H., Sasaki, S., Tsukagoshi, K., & Nishihara, H. (2024). Synthesis of Bis(diimino)palladium Nanosheets as Highly Active Electrocatalysts for Hydrogen Evolution. Chemistry – A European Journal. https://doi.org/10.1002/chem.202403082