Ijzer Katalysatoren Maken Waterstofbrandstofcellen Praktisch

Waterstofbrandstofcellen: Ijzerkatalysatoren als een Platina-alternatief

Waterstof zou, in theorie, de perfecte brandstof voor een groene toekomst kunnen zijn: het kan worden geproduceerd uit hernieuwbare elektriciteit, veroorzaakt geen verontreinigende stoffen bij verbranding, en vereist alleen water als materiaal voor de productie.

Het produceren van waterstof tegen een voldoende lage kostprijs is echter een uitdaging gebleken. Alternatieve systemen, zoals gelijktijdige productie van zoet water, nieuwe waterstofkatalysatoren die geen edelmetalen nodig hebben, of fotokatalyse, worden onderzocht.

Een andere stap die de commerciële levensvatbaarheid van waterstof vermindert, bevindt zich in de consumptiefase. Wanneer waterstof niet in een verbrandingsmotor wordt gebruikt (vergelijkbaar met een brandstofmotor, maar met lagere efficiëntie), worden brandstofcellen ingezet, die doorgaans duur platina als katalysator vereisen.

Dit maakt brandstofcellen niet alleen duurder, maar kan ook de massale adoptie van waterstof als brandstof belemmeren, aangezien platina en verwante metalen zoals palladium zeer zeldzaam zijn op aarde, waardoor een sterke toename in hun productie moeilijk te realiseren is.

Gelukkig komen er alternatieven, dankzij het werk van Chinese wetenschappers aan vele toponderzoeksinstellingen van het land: de Chinese Academie voor Wetenschappen, Shenzhen University (China), Southeast University (China), Tsinghua University, Beijing University of Chemical Technology, City University of Hong Kong en Xiamen University.

Ze publiceerden¹ de ontdekking van een nieuwe ijzergebaseerde katalysator voor brandstofcellen in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Nature, onder de titel “Acidic oxygen reduction by single-atom Fe catalysts on curved supports”.

Hoe Brandstofcellen Werken

De onderdelen van brandstofcellen die elektriciteit genereren uit de consumptie van waterstof zijn de proton-uitwisselingsmembranen (PEM’s).

Brandstofcellen werken door de omzetting van waterstof (H₂) in protonen (H+ ionen) + elektronen te katalyseren, waardoor een elektrische stroom ontstaat. Zoals eerder vermeld, is deze katalysator traditioneel platina, een duur metaal.

Bron: Wikipedia

In plaats daarvan hebben de Chinese wetenschappers een nieuw katalysatorontwerp gecreëerd, beschreven als “inner activation, outer protection”, dat gebruikmaakt van eenvoudig ijzer als katalysator.

Ijzergebaseerde Waterstofkatalysatoren

Uitdagingen van Ijzerkatalysatoren in Brandstofcellen

Het idee om een ijzerkatalysator te gebruiken, die van nature zuurstof kan binden (een neiging die we algemeen kennen als “roesten”) en deze kan koppelen aan waterstofionen, is niet nieuw.

Maar tot nu toe werd het belemmerd door ongewenste chemische reacties, met name de sterke adsorptie van zuurstofhoudende reactieve intermediairen, en de demetallisatie van ijzeratomen. Dus ofwel blijven de ijzeratomen “vastzitten” met zuurstofrijke verbindingen, ofwel kunnen ze niet meer als katalysator functioneren.

Om deze ongewenste reacties te stoppen, hebben de onderzoekers een unieke nanostructuur voor de ijzerkatalysator gecreëerd.

Nanogestructureerde Holle Ijzerkatalysatoren

Traditionele ijzerkatalysatoren vertrouwen op een buitenoppervlak van grafeen of koolstofondersteuningen, waardoor de hoeveelheid ijzer die toegankelijk is voor de gewenste reacties met waterstof beperkt wordt.

In plaats daarvan werd een binnenboogvormig oppervlak met een enkel-atoom ijzerkatalysatorsite gecreëerd.

Elk van deze sites bevindt zich in een nanogebonden holle multishell-structuur (HoMS). Deze nano HoMS zijn verspreid over en gebonden aan een 2D koolstoflaag, vergelijkbaar met grafeen.

Bron: Research Gate

De nano holle deeltjes zijn ongeveer 10 nm × 4 nm groot, en bestaan uit meerdere schillen waarbij ijzeratomen op hoge dichtheid in de binnenlagen geconcentreerd zijn. Synchrotron röntgenabsorptiespectroscopie toonde aan dat deze binnen-Fe-atomen in 57,9 % van de gevallen zich in een katalytisch actieve toestand bevinden.

Bron: Research Gate

Prestatieverbeteringen Met Ijzerkatalysatoren

Veeg om te scrollen →

De nanostructuur verzwakt de bindingssterkte van de zuurstofhoudende reactieve intermediairen, waardoor een belangrijke beperking van ijzergebaseerde katalysatoren wordt weggenomen.

Bron: Research Gate

Het vermindert ook de productie van hydroxylradicaal (•OH), een zeer reactief en schadelijk molecuul dat altijd een potentieel probleem vormt in zuurstof-waterstofreacties.

Het uiteindelijke resultaat is een brandstofcel met ijzerkatalysatoren die radicaal superieur is aan andere ontwerpen, zowel qua piek vermogensdichtheid als stroomdichtheid (rode sterren hieronder), met een recordhoge vermogensdichtheid van 0.75 W cm−2 onder 1.0 bar H₂‑lucht.

Bron: Research Gate

Dit katalysatorontwerp is ook veel duurzamer dan de vorige iteratie van ijzergebaseerde katalysatoren, met een efficiëntie van 86 % na meer dan 300 uur werking.

Bron: Research Gate

Conclusie

Een waterstofeconomie zal alleen mogelijk zijn wanneer de economische overwegingen zijn opgelost, met gemakkelijk te produceren katalysatoren die op overvloedige en goedkope materialen zijn gebaseerd.

In dat kader zou ijzer, als een van de meest geproduceerde en goedkoopste metalen op aarde, een ideale kandidaat zijn.

Het betekent ook dat de relatief snelle degradatie van efficiëntie in de loop van de tijd (die waarschijnlijk nog kan worden verbeterd ten opzichte van dit eerste experimentele ontwerp) minder problematisch is, en dat het katalysatoronderdeel van de brandstofcel gewoon regelmatig kan worden vervangen door een nieuwe, waarbij de gebruikte wordt gerecycled of hersteld tot de oorspronkelijke prestatie.

Investeren in Brandstofceltechnologie

Plug Power (PLUG ) is een leider in groene waterstof, met een focus op brandstofcellen. Het bedrijf meldt meer dan 72.000 geïnstalleerde brandstofcellen op meer dan 300 locaties, met een grote aanwezigheid in materiaal‑handlingsvloten. In het bijzonder leveren hun brandstofcellen stroom aan meer dan 40.000 heftrucks en de omzet is sinds 2013 achtvoudig gegroeid.

Het bedrijf is ook actief in de bouw van waterstofinfrastructuur, zoals waterstofproductie, logistiek, grootschalige energieopwekking en leveringen.

Bron: Plug Power

Het bedrijf streeft naar schaalvergroting om de kosten van waterstofproductie te verlagen van $10/kg naar $4/kg, terwijl de productie in 2027 met 14× wordt vermenigvuldigd. Het moet ook alle extern ingekochte waterstof vervangen, die vaak met verlies aan klanten werd doorverkocht.

Door de enorme investeringen om de productiecapaciteit sinds 2020 met 19× te verhogen, is het bedrijf nog niet winstgevend, maar vooruitgang in het zelf produceren van waterstof zou dat moeten veranderen.

Het bedrijf ziet haar oplossingen als ofwel een directe mobiliteitsbrandstof of als een aanvulling op elektrische voertuigen, omdat waterstof de druk op het net kan verminderen tijdens de pieklaadmomenten van EV’s, die niet overeenkomen met de productieperioden van hernieuwbare energie overdag.

Bron: Plug Power

Als een grote producent van brandstofcellen zou Plug Power sterk profiteren van een verschuiving naar een waterstofgebaseerde economie. Een goedkopere brandstofcelkatalysator zou in hun ontwerpen kunnen worden geïntegreerd en de adoptiesnelheid van waterstofvoertuigen en grootschalige energieopslag op het net kunnen stimuleren.

Dus maakt dit Plug Power een goede aandeel om in te zetten op een algemene omslag naar waterstof, met een groeiende vraag naar hun brandstofcellen telkens wanneer een goedkopere methode om waterstof te produceren, op te slaan, te transporteren of te gebruiken wordt uitgevonden.

Laatste Plug Power Inc (PLUG) Aandelen Nieuws en Ontwikkelingen

Bestudeerde Studie

^{1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. et al. Acidic oxygen reduction by single-atom Fe catalysts on curved supports. Nature 644, 668–675 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}