Niet‑nobele katalysatoren banen de weg voor betaalbare waterstof

Naarmate de wereld overstapt van fossiele brandstoffen om de wereldwijde opwarmingscrisis te beperken, krijgt waterstof de aandacht als de ‘brandstof van de toekomst’.

Dit komt door verschillende redenen, waaronder een overvloed aan water, een hoger energierendement, het produceren van alleen water als bijproduct, en minimale of geen broeikasgas (GHG) emissies. Deze eigenschappen maken schone waterstof bruikbaar in een breed scala aan toepassingen zoals transport, elektriciteitsopwekking, verwarming en industrie, inclusief staal, chemie en cement.

Hoewel waterstof een enorm potentieel toont voor het decarboniseren van onze samenleving, wordt het grootste deel van de vandaag geproduceerde H₂ nog steeds verkregen uit fossiele brandstoffen (methaan), wat leidt tot aanzienlijke CO₂‑emissies. Dit betekent dat er schaalbare alternatieven nodig zijn om groene en schone waterstof te produceren.

Als gevolg hiervan richt lopend onderzoek zich op het vinden van efficiënte en milieuvriendelijke manieren om waterstofbrandstof te produceren. 

HER: Een veelbelovend pad voor groene waterstofproductie

Een van de veelbelovende benaderingen voor de productie van groene waterstof die veel aandacht heeft gekregen, is waterelektrolyse.

Een belangrijke reactie die plaatsvindt bij de elektrolyse van water voor waterstofproductie is de waterstofontwikkelingsreactie (HER), een fundamenteel proces in de elektrochemie. 

Elektrolyse van water is simpelweg het gebruik van elektriciteit om water te splitsen in zuurstof (O₂) en waterstof (H₂) gas, waardoor een efficiënte en schone manier ontstaat om waterstofbrandstof op grote schaal te produceren.

Dankzij de kleine ohmische verliezen (de potentiële energie die als warmte verloren gaat wanneer elektrische ladingen door een medium stromen), hoge stroomdichtheid en lage gas‑crossover‑rate, biedt de opschaling van het laboratorium‑HER‑proces naar een commercieel proton‑uitwisselingsmembraan (PEM) waterelektrolyseapparaat een duurzame route naar groene waterstof.

In PEM‑elektrolyse wordt waterstof geproduceerd door water te splitsen met behulp van elektriciteit en een vaste polymeer‑elektrolyt. In dit proces wordt eerst elektriciteit toegepast om watermoleculen te scheiden in waterstofionen (protonen), elektronen en zuurstof. Protonen bewegen vervolgens door het membraan, een proton‑geleidende polymeer die de anode en kathode scheidt, terwijl elektronen via een externe kring lopen.

Aan de anode wordt het watermolecuul geoxideerd, waardoor alleen zuurstof, protonen en elektronen ontstaan. Aan de kathode combineren protonen en elektronen zich tot waterstofgas.

Deze methode wordt gebruikt om waterstof voor brandstofcellen te produceren, naast toepassingen in diverse industriële processen zoals kunstmestproductie, aardolie‑raffinage en petrochemie.

Maar het probleem ontstaat bij ruwe bedrijfsomstandigheden, zoals de sterk reductieve zure elektrolyt‑katalysator‑interface. Deze omgeving dwingt commerciële PEM‑elektrolyzers om een platina (Pt) kathode te gebruiken, die niet overvloedig is en daardoor kostbaar, om een hoge activiteit te behouden. 

De barre omstandigheden maken dergelijke kathodes (gebaseerd op niet‑edelmetalen) ongeschikt voor proton‑uitwisselingsmembraan (PEM) elektrolyzers.

De brede real‑world toepassing van PEM, die op een terawatt‑schaal plaatsvindt, vereist goedkope katalysatoren ter vervanging van edelmetalen. Terwijl de zoektocht naar dergelijke niet‑edelmetaalkathodes die geschikt zijn voor PEM‑commercialisatie voortduurt, blijft dit een uitdaging.

Hier hebben overgangsmetaal‑fosfiden (TMP’s) potentie getoond als HER‑katalysatoren, maar het gebruik ervan ter vervanging van edelmetalen staat nog in de kinderschoenen. Een belangrijke reden hiervoor is het gebrek aan inzicht in de toleranties onder ruwe bedrijfsomstandigheden, evenals het monitoren van actieve‑plaatsrotaties tijdens het waterstofgeneratieproces.

Oppervlakte‑reconstructiestrategie produceert betaalbare waterstofbrandstof

Recentelijk is gemeld dat CoP‑nanodeeltjes als kathodes gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd in industriële PEM‑waterelektrolyzers, wat hun potentiële commerciële toepassingen aantoont. 

Het probleem is echter het opschalen van de HER‑reactie van een laboratoriumexperiment naar grootschalige commerciële productie, terwijl de kosten laag blijven, iets wat de nieuwste studie heeft bereikt.

Volgens bevindingen gepubliceerd in Advanced Energy Materials¹ in april 2025, heeft een onderzoeksteam van de Tohoku‑universiteit aangetoond dat een CoP|F‑kathode (F‑gemodificeerde CoP) kan worden opgeschaald van laboratorium‑schaal (0,2 cm²) naar een commerciële PEM‑elektrolyzer (38 cm²).

Tijdens de zoektocht naar superieure HER‑prestaties ontdekten de onderzoekers dat het oppervlak‑reconstructiepad langdurige niet‑edelmetaalkathodes kan creëren die de HER verbeteren.

Deze kathodes kunnen hun prestaties meer dan 300 uur behouden. Bovendien kwam de door het team berekende kostprijs zeer dicht bij de H₂‑productiedoelstelling voor 2026 van het Amerikaanse Department of Energy, namelijk $2,00 per kg H₂.

Om de HER‑reactie, die van nature traag en inefficiënt is, te versnellen, wendde het team zich tot TMP’s. Overgangsmetaal‑fosfiden zijn een kosteneffectief en duurzaam niet‑edelmetaal. Het is een veelbelovende katalysator met een unieke elektronische structuur en hoge katalytische activiteit, wat de efficiëntie van de HER verbetert.

Aangezien edelmetalen doorgaans voor dit doel worden gebruikt, geloven de onderzoekers dat er een kenniskloof bestaat over niet‑edelmetalen die moet worden gedicht.

Een niet‑edelmetaalkatalysator verwijst naar een alternatief materiaal dat kosteneffectief en overvloedig beschikbaar is in vergelijking met edelmetalen. Deze niet‑edelmetaalkatalysatoren bieden aanpasbare reactiviteit, wat betekent dat ze naar behoefte kunnen worden aangepast om stabiliteit, selectiviteit en activiteit in verschillende katalytische processen te verbeteren.

Het team bereidde dus de F‑gemodificeerde CoP voor en gebruikte vervolgens operando röntgenabsorptiespectroscopie (XAS) en Raman‑metingen om diverse kenmerken te beoordelen, zoals oppervlak‑reconstructie en echte actieve plaatsen.

De resultaten bevestigden dat het toevoegen van fluor aan het CoP1‑x‑rooster de breuk van Co‑P‑bindingen kan bevorderen, wat leidt tot de reconstructie van amorf metalen Co. De vorming van fosfor‑(P)‑vacatureplaatsen op het oppervlak creëert meer actieve plaatsen, waardoor de HER wordt versneld.

Het gereconstrueerde oppervlak vertoont hoge activiteit en tolerantie in de reductieve zure elektrolyt‑katalysator‑interface. Opmerkelijk is dat, wanneer het wordt gebruikt als kathode in een commerciële PEM‑elektrolyzer, de CoP|F‑kathode vergelijkbare prestaties levert als de geavanceerde Pt/C‑katalysator tegen een kostprijs van slechts $2,17 per kg H₂‑1.

“Deze gereconstrueerde Co is zeer actief, werkt onder zure omstandigheden en kan ongeveer 76 W gedurende meer dan 300 uur handhaven,” zei Heng Liu, assistent‑professor aan het Advanced Institute for Materials Research (WPI‑AIMR). “We komen steeds dichter bij een betaalbare methode om brandstof te produceren,” voegde hij eraan toe, waarbij hij opmerkte dat de kostprijs slechts 17 cent boven de huidige productiedoelstelling voor 2026 lag.

Met deze indrukwekkende resultaten hopen de onderzoekers een oppervlak‑reconstructieroute te bieden voor zeer efficiënte, kostenbesparende en duurzame niet‑edelmetaalkathodes voor commerciële PEM‑elektrolyzers. 

Belangrijker nog, de opstelling werd niet alleen getest op lab‑schaal met drie elektroden, maar daadwerkelijk opgeschaald naar een commerciële schaal. En met dit rationele ontwerp voor gloednieuwe kathodes, die als basis kunnen dienen voor andere niet‑edelmetaalkathodes, overbrugt de studie mogelijk de kloof van laboratorium naar fabriek.

“We denken altijd aan het einddoel, namelijk dat onderzoek zijn weg vindt naar het dagelijks leven. Deze vooruitgang brengt ons een stap dichter bij het ontwerpen van realistischere opties voor commerciële PEM‑toepassingen.”

– Liu

Vooruitgang in schone waterstofproductie

Nu waterstof opkomt als een veelbelovende schone en hernieuwbare energiebron, ligt de focus momenteel op de efficiënte productie van waterstof die kan voldoen aan de vraag op commerciële schaal, met een groeiende interesse in elektrisch‑aangedreven waterstofsplitsing.

Waterelektrolyse kan worden onderverdeeld in twee reacties: de waterstofontwikkelingsreactie (HER), waarbij water aan de kathode wordt gereduceerd tot waterstof, en de zuurstofontwikkelingsreactie (OER), waarbij water aan de anode wordt geoxideerd tot O₂. In beide gevallen speelt katalyse een cruciale rol, waardoor er behoefte is aan zeer effectieve katalysatoren om H₂ en O₂ efficiënt te produceren.

Nog deze maand stelde een nieuw onderzoek van het AIMR, Tohoku‑universiteit, een nieuw katalysator‑framework voor, dat een potentiële benadering biedt voor goedkope waterstofproductie via waterelektrolyse. De focus lag hier echter op OER.

Het materiaal richt zich op mesoporeuze (poriën met diameters van 2–50 nm) enkelkristallijne Co₃O₄ (kobalt(II, III)oxide) gedopeerd met atomisch verspreide iridium (Ir), ontworpen voor de zure OER.

Hoewel Ir bekend staat om zijn OER‑prestaties, is het schaars en duur. Bovendien vormt het efficiënt benutten van iridium bij behoud van stabiliteit een uitdaging bij opschaling van de technologie. Het onderzoek biedt daarom een oplossing via een materiaal dat de efficiëntie op atomair niveau maximaliseert.

Met een mesoporeuze spinelstructuur kan de katalysator een hoge Ir‑lading (13,8 wt %) bevatten zonder grote iridiumclusters te vormen, waardoor Co‑Ir‑brugplaatsen ontstaan. Onder zure OER‑omstandigheden toonden deze plaatsen een hoge inherente activiteit.

Voor de analyse combineerde het onderzoek experimentele data met computationele modellering, wat suggereert dat zuurstofintermediairen (O*) de Co₃O₄‑oppervlakken volledig bedekken. Dit passiveert doorgaans Co‑plaatsen, maar Ir‑doping reactiveren de plaatsen terwijl tegelijkertijd de structurele integriteit van de katalysator wordt verbeterd.

Deze studie verlaagde de Ir‑ en Co‑verliezen tot respectievelijk ongeveer een kwart en een vijfde. Bovendien behield de katalysator zijn prestaties gedurende meer dan 100 uur.

“De mesoporeuze architectuur speelt een cruciale rol. Ze biedt ruimte voor enkel‑atoom Ir‑lading en helpt een stabiele omgeving voor katalytische activiteit te creëren.”

– Studieleider Professor Hao Li

Toekomstig werk zal zich richten op het aanpassen van het dopingsniveau, het opschalen van het proces en vervolgens de integratie in commerciële elektrolyzersystemen.

Een andere studie die een economische iridiumkatalysator onderzocht, stelde dat om aan de wereldwijde waterstofvraag voor transport te voldoen via Proton‑Exchange‑Membrane Water Electrolysis (PEM‑WE), anodematerialen op basis van iridium minder dan 0,05 mg Ir/cm² moeten bevatten. De beste momenteel beschikbare katalysatoren op de markt, gemaakt van iridiumoxide, bevatten echter ongeveer 40 keer zoveel.

Het goede nieuws is dat oplossingen hiervoor al in ontwikkeling zijn. Het Kopernikus P2X‑project van de Heraeus Group creëert een nieuwe, efficiënte iridium‑gebaseerde nanokatalysator, bestaande uit een dunne laag iridiumoxide (IrO₂) op een nanoschaal titaniumdioxide (TiO₂) drager.

De P2X‑katalysator vertoont opmerkelijke stabiliteit zelfs bij langdurige werking en presteert beter dan de meer kristallijne benchmark.

Naast het werken aan diverse technieken om waterstofproductie kosteneffectief, schaalbaar en milieuvriendelijk te maken, onderzoeken onderzoekers wereldwijd ook manieren om waterstof efficiënt op te slaan, waardoor schone waterstof een echte adoptie in de praktijk kan vinden.

Eerder dit jaar toonde een team van wetenschappers, gesteund door het Amerikaanse Department of Energy, een nieuwe manier om vluchtige waterstof op te slaan en vrij te geven. Dit pakt een van de grootste uitdagingen van waterstof als brandstofbron aan: de hoge kosten en inefficiëntie van opslag en transport vanwege de lage dichtheid en explosieve aard.

Wat de wetenschappers hier deden, was een type lignine‑gebaseerde vliegtuigbrandstof ontwikkelen die waterstof chemisch kan binden in een stabiele vloeibare vorm. Deze technologie, volgens professor Bin Yang van Washington State University, “kan efficiënte, hoge‑dichtheids waterstofopslag mogelijk maken in een gemakkelijk hanteerbare duurzame vliegtuigbrandstof, waardoor de noodzaak van onder druk staande tanks voor opslag en transport wordt geëlimineerd.”

Het nieuwe proces gebruikte chemische reacties die aromatische koolstoffen en waterstof genereerden uit de in het laboratorium ontwikkelde experimentele lignine‑vliegtuigbrandstof. Lignine, gevonden in planten, is een natuurlijk polymeer en het op één na meest voorkomende materiaal op aarde.

In de volgende stappen zullen de onderzoekers een AI‑gedreven katalysator ontwerpen om de reacties te verbeteren, waardoor ze efficiënter en kosteneffectiever worden.

Innovatief Bedrijf

Cummins Inc (CMI )

De wereldwijde leverancier van energieoplossingen, CumCummins Inc., opereert via verschillende segmenten, waaronder Engine, Components, Distribution, Power Systems en Accelera. 

Het bedrijf onderzoekt en benut waterstof‑motorentechnologie uitgebreid om een duurzame toekomst op te bouwen. Cummins betrad de waterstofeconomie voor het eerst in 2019 met de overname van Hydrogenics, een fabrikant van waterstofbrandstofcellen en elektrolyzers. Sindsdien heeft het continue vooruitgang geboekt.

Dit omvat de lancering van 15‑L Waterstof‑ICE en 15‑L Aardgasmotoren. Het portfolio van Cummins omvat ook waterstofopslagoplossingen en de ontwikkeling van brandstofceltechnologie.

Een paar jaar geleden startte Accelera ook de productie van elektrolyzers in Minnesota, haar eerste Amerikaanse elektrolyzerproductielocatie.

“Grootschalige elektrolyse om groene waterstof te produceren is een cruciaal onderdeel van de decarbonisatie van transport en industrie.”

– Accelera‑president Amy Davis destijds.

In maart 2025 werd Cummins ondertussen een oprichterslid van de Hydrogen Engine Alliance of North America (H2EA‑NA), een initiatief gevormd door experts uit de academische wereld, de overheid en de transportsector om waterstof‑verbrandingsmotoren (H2‑ICE) en de toepassing ervan in maritieme motoren en op‑ en off‑road voertuigen en apparatuur te bevorderen.

Wat betreft de marktprestaties van het bedrijf, de aandelen van Cummins vertonen al meer dan twee decennia een sterke opwaartse trend. Deze reis werd gekenmerkt door dalingen onderweg, wat een mooie koopkans voor beleggers bood. De bijna 16 % daling van Cummins‑aandelen tot nu toe dit jaar kan op dezelfde manier worden geïnterpreteerd.

Op het moment van schrijven worden CMI‑aandelen verhandeld tegen $294,16, waardoor de marktkapitalisatie van Cummins $40,38 miljard bedraagt. Daarmee heeft het een EPS (TTM) van 28,17, een P/E (TTM) van 10,41 en een ROE (TTM) van 41,27 %. Interessant is dat Cummins ook een dividendrendement van 2,48 % biedt, waardoor het een potentieel aantrekkelijke investeringskans is. 

Wat de financiële cijfers betreft, bedroeg de omzet in 2024 – een jaar dat het bedrijf “transformatief” noemde vanwege “significante vooruitgang in het realiseren van onze Destination Zero‑strategie” en “recordresultaten” – $34,1 miljard, gelijk aan het voorgaande jaar.

Dit resultaat kwam voort uit een omzetstijging van 1 % in Noord‑America, ondanks een afname in de vraag naar zware vrachtwagens, en een daling van 1 % in de internationale omzet ten opzichte van het voorgaande jaar. Een reden hiervoor was Atmus Filtration Technologies (ATMU ) , die vorig jaar van Cummins is afgesplitst tot een volledig onafhankelijk bedrijf. Daarnaast onderging Accelera een reorganisatie, wat leidde tot kosten als gevolg van de beslissing om de operaties te stroomlijnen en investeringen te focussen.

De nettowinst van Cummins voor het volledige jaar 2024 bedroeg $3,9 miljard, of $28,37 per verwaterde aandeel, een aanzienlijke stijging dankzij de winst gerelateerd aan de scheiding van Atmus.

Voor dit jaar voorspelt Cummins een omzet die varieert van -2 % tot +3 % vanwege een “enigszins zwakkere” vraag die in Noord‑America wordt verwacht. Desondanks bevestigde het bedrijf haar inzet voor het lange‑termijndoel om 50 % van de operationele cash‑flow terug te geven aan aandeelhouders.

In 2024 heeft Cummins haar gewone aandelen‑cash‑dividend voor het 15‑de opeenvolgende jaar verhoogd, waardoor $969 miljoen aan aandeelhouders werd teruggegeven via dividenduitkeringen.

Andere ontwikkelingen van het bedrijf het afgelopen jaar omvatten de introductie van het Cummins HELM (Higher Efficiency, Lower Emissions and Multiple Fuels) motorplatform, geïmplementeerd in haar B‑, X10‑ en X15‑series motorportefeuilles, en de lancering van een nieuwe motor uitsluitend voor de Japanse autofabrikant Isuzu’s nieuwe lijn middelzware vrachtwagens.

Bovendien vormden Accelera, EVE Energy, Daimler Trucks & Buses en PACCAR (PCAR ) hun joint venture Amplify Cell Technologies om de productie van batterijcellen en de batterijlancering in de VS te lokaliseren. Amplify is al begonnen met de bouw van een fabriek van 21 GWh, met als doel productie te starten in 2027.

Laatste nieuws over Cummins Inc.

Conclusie

Een veelbelovend alternatief voor fossiele brandstoffen is schone waterstof. Dit kritieke onderdeel van de wereldwijde decarbonisatiestrategie biedt een hoge energiedichtheid, niet‑vervuilende bijproducten en veelzijdigheid in diverse sectoren, waardoor het essentieel is om kosteneffectieve methoden voor waterstofproductie te ontwikkelen.

PEM‑elektrolyse is zo’n benadering die kan bijdragen aan de wereldwijde energietransitie. Hier vervangen onderzoekers van de Tohoku‑universiteit dure platina‑katalysatoren door oppervlakte‑geengineerde niet‑edelmetaal‑alternatieven, een belangrijke stap om schone waterstof commercieel levensvatbaar te maken.

De kostenvoordelen liggen dicht bij de DOE‑doelstelling, en de opschaling van de CoP|F‑kathode in real‑world PEM‑elektrolyzers toont aan dat we mogelijk schone waterstof ontgrendelen als massamarkt‑oplossing voor de wereldwijde energiebehoefte!

Klik hier om te leren waarom waterstof nog steeds de brandstof van de toekomst kan zijn. 

Gerefereerde studies:

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). Oppervlakte‑reconstructie activeert niet‑nobele metalcathode voor proton‑uitwisselingsmembraan waterelektrolyse. Advanced Energy Materials, 15(10), 2405846. https://doi.org/10.1002/aenm.202405846