Platina-vrije waterstofkatalysator: Een sprong voorwaarts in schone energietechnologie

Een transitie naar schone energie vindt overal ter wereld plaats nu de verslechterende klimaatcrisis een dringende noodzaak creëert om energiesystemen te decarboniseren. 

In tegenstelling tot fossiele brandstoffen zoals steenkool en olie, stoten schone energiebronnen tijdens hun productie geen enorme hoeveelheden broeikasgassen (BKG) zoals methaan, CO2, lachgas of andere verontreinigende stoffen uit, wat bijdraagt aan een gezondere omgeving.

Interessant genoeg kan schone energie afkomstig zijn van hernieuwbare bronnen zoals de zon die voortdurend wordt aangevuld en overal op de planeet beschikbaar is, evenals niet‑hernieuwbare bronnen zoals kernenergie, die gebruikmaakt van eindige hulpbronnen (uranium).

In vergelijking met hun fossiele tegenhangers hebben schone energiebronnen ook lagere onderhouds- en operationele kosten, waardoor consumenten stabielere prijzen krijgen.

Daardoor groeit de schone-energiesector snel, met investeringen in cleantech‑technologieën die de milieu‑impact verminderen en duurzaamheid bevorderen, en een record van $71 miljard in Q3 2024 bereikt, volgens Deloitte. 

Nu, als het gaat om schone energiebronnen, zijn dit de meest prominente:

1. Solar – De straling van de zon wordt hier benut door technologieën zoals fotovoltaïsche (PV) panelen die zonlicht direct omzetten in elektriciteit. In 2024 steeg de wereldwijde zonnecapaciteit aanzienlijk, met een toevoeging van maar liefst 593 GW aan zonne‑PV-capaciteit. 
2. Wind – De kinetische energie van de wind wordt door turbines omgezet in elektriciteit. Afhankelijk van de locatie van de turbines kan het van twee types zijn: onshore windenergie, waar windparken op het land liggen, en offshore windenergie, waar windparken op zee liggen.
3. Water – De kinetische energie van stromend water wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken, voornamelijk via dammen en turbines. Waterkracht draagt ongeveer 15% bij aan de totale elektriciteitsproductie. 
4. Geothermal – Dit type energie wordt benut via de interne warmte van de aarde en wordt verkregen door geothermische krachtcentrales die zich in ondergrondse reservoirs bevinden.  
5. Biomass – Hier wordt organisch materiaal zoals landbouwafval en bosbouwresten benut. 
6. Nuclear  – Het is de energie van een atoom met kracht verkregen uit kernsplijting en kernfusie. Volgens Deloitte’s onderzoek naar energie en nutsbedrijven zullen geavanceerde nucleaire technologieën de belangrijkste rol spelen bij het voldoen aan de toenemende energievraag in de komende jaren.
7. Hydrogen – Waterstof wordt geproduceerd uit verschillende bronnen en, wanneer het in een brandstofcel wordt verbruikt, produceert het alleen water. Het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) heeft $7 miljard toegewezen voor de ontwikkeling van waterstofhubs.

Waterstof als een krachtige schone brandstof

Het allereerste element in het periodiek systeem, waterstof (H), is een kleurloze, reukloze, smaakloze, zeer brandbare en niet‑toxische gasvormige stof. Het is tevens het eenvoudigste, lichtste en meest voorkomende element.

Maar wat het extreem aantrekkelijk maakt is het feit dat bij verbranding waterstof alleen waterdamp produceert. Wanneer het met behulp van hernieuwbare energie wordt geproduceerd, kan groene waterstof met name helpen sectoren zoals transport en energieopwekking te decarboniseren.

Te midden van de toenemende energiebehoeften van de samenleving biedt waterstof een zeer efficiënte schone energiebron die kan mogelijk worden geproduceerd uit verschillende bronnen. Het is eigenlijk een energiedrager die kan worden gebruikt om energie die uit andere bronnen is geproduceerd te verplaatsen, op te slaan en te leveren.

Nu zijn de meest voorkomende manieren om waterstofbrandstof te produceren:

1. Thermal Process – Geproduceerd via een hoogtemperatuurproces genaamd stoomreforming, waarbij waterstof wordt gegenereerd wanneer stoom reageert met koolwaterstofbrandstoffen zoals aardgas, diesel, vergast kolen, vergaste biomassa en hernieuwbare vloeibare brandstoffen.
2. Electrolytic Process – Water (H2O) wordt gesplitst in zuurstof en waterstof met behulp van een elektrische stroom. Het proces vindt plaats in een elektrolyser, waar elektriciteit door water stroomt, waardoor de moleculen worden gesplitst.
3. Solar-driven Process – Licht wordt gebruikt om waterstof te produceren en omvat verschillende benaderingen, zoals fotobiologisch, foto‑elektrochemisch en zonne‑thermochemisch. 
4. Biological Process – Waterstof wordt geproduceerd via biologische reacties met microben zoals bacteriën en microalgen.

Waterstof heeft een zeer hoog potentieel om te voldoen aan de schone energiebehoeften van de samenleving, maar het probleem is dat er nog uitdagingen zijn die overwonnen moeten worden. Deze uitdagingen omvatten massaproductie, transport en opslag. Bovendien moet de productie van waterstof stabiel en goedkoop zijn.

De waterstofontwikkelingsreactie (HER) wordt beschouwd als de meest milieuvriendelijke en duurzame methode voor waterstofproductie. Het is een kathodische reactie die de elektrolyse van water omvat. 

In dit elektrochemische proces van waterstofsplitsing worden onder andere platina, nikkel en andere overgangsmetalen gebruikt als katalysatoren die protonen reduceren tot waterstofgas.

Het probleem hier ontstaat bij het metaal dat het meest wordt gebruikt voor katalysatoren, platina, dat, hoewel het een zeer efficiënte katalytische prestatie biedt, kampt met schaarste en hoge kosten. Daarom is er een groeiende focus op alternatieve katalysatoren om het gebruik van edelmetalen te minimaliseren.

De rol van platina bij het schoon maken van waterstof

Een glanzend, zilverachtig wit metaal dat soms wordt verward met zilver, platina (Pt) is cruciaal voor het bereiken van het doel van netto nul emissies. Dit dichte, kneedbare en glanzende metaal is zeer onreactief en bestand tegen corrosie, zelfs bij hoge temperaturen.

Echter, het is een extreem zeldzaam metaal, meer dan 30 keer zeldzamer dan goud, met een concentratie van slechts 0,005 ppm in de aardkorst. Als een schaars metaal is platina moeilijk en kostbaar te delven, wat leidt tot een duurder eindproduct.

Het metaal wordt voornamelijk gedolven in Zuid‑Afrika, dat meer dan 70% van de wereldwijde platina‑aanvoer levert, samen met Rusland, Zimbabwe, Canada en de VS.

Wat betreft toepassingen, wordt platina gebruikt om sieraden te maken, maar vooral wordt het ingezet in elektronische componenten en katalysatoren om transportemissies te verminderen. In 2022 werd ongeveer 85 ton van het metaal alleen voor katalysatoren gebruikt. Het komt ook naar voren als een cruciaal mineraal in de wereldwijde energietransitie. 

Het metaal is bijzonder onschatbaar in elektrolyzers, die van verschillende types zijn, maar ontwikkelaars van waterstofprojecten geven de voorkeur aan proton‑uitwisselingsmembraan (PEM) elektrolyse. Een efficiëntere alternatief voor alkalische elektrolyse, PEM‑elektrolyzers gebruiken platina om extreem hoogpresterende katalysatoren te maken. 

Platina wordt ook gebruikt in PEM‑brandstofcellen, die functioneren als PEM‑elektrolyzers maar dan omgekeerd. In plaats van waterstof en zuurstof te scheiden, combineert het ze met platina als katalysator.

Waterstofbrandstofcellen worden gemaakt van twee elektroden — een anode (negatieve elektrode) en een kathode (positieve elektrode) met een elektrolyt die de twee scheidt. Een katalysator, een laag metaal zoals platina, bij de anode splitst waterstofmoleculen in protonen en elektronen, die naar de kathode bewegen om een elektrische stroom te creëren.

De uitstekende geleidbaarheid en chemische stabiliteit van platina maken het zo zeer efficiënt als katalysator. Hun efficiëntie is cruciaal voor het behalen van hoge energieconversieratio’s in brandstofcellen, waardoor ze kunnen concurreren met traditionele energiebronnen. 

Naarmate de behoefte aan decarbonisatie blijft toenemen, wordt verwacht dat de vraag naar platina zal stijgen dankzij de op platina gebaseerde PEM‑technologieën die het potentieel hebben om 11% van de wereldwijde CO2‑emissiereducties te realiseren.

Daarom is er wereldwijd een groeiende focus op dit metaal. In de VS omvat de Inflation Reduction Act een belastingvoordeel voor koolstofarme waterstof met als doel de productie van schone waterstof en de adoptie van brandstofcel‑EV’s te versnellen. De REPowerEU van de Europese Commissie streeft ondertussen naar een verdubbeling van de capaciteit van schone waterstof tot 80 GW tegen 2030.

Deze wereldwijde impuls, volgens de World Platinum Investment Council, kan de productie van schone waterstof tot de grootste bron (35%) van de vraag naar platina maken tegen 2040.

Naast de onevenwichtige vraag‑aanbod dynamiek brengt het gebruik van edelmetalen zoals platina extra uitdagingen met zich mee, zoals hoge kosten, mogelijke degradatie en milieuoverwegingen. Als gevolg hiervan werken onderzoekers continu aan manieren om platina als waterstofkatalysator te verwijderen en betere alternatieven te vinden.

Klik hier om alles te leren over investeren in platina.

Het maken van platina‑vrije katalysatoren

In de zoektocht naar platina‑vrije waterstof voeren onderzoekers van UNSW Sydney een studie uit om de problemen die gepaard gaan met het gebruik van het edelmetaal in waterstofbrandstofcellen aan te pakken. 

De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe techniek om te begrijpen waarom sommige katalysatoren minder stabiel zijn dan Pt, wat andere onderzoekers zal helpen nieuwe materialen te ontwikkelen en de toekomstige vooruitzichten van platina‑vrije katalysatoren in waterstofbrandstofcellen te verbeteren.

De ontwikkelde technieken toonden aan dat tot wel 75% van de ijzer‑gebaseerde actieve sites in de brandstofcel inactief werden gedurende de eerste 10 uur van werking. Dit kwam voornamelijk door het verlies van ijzeren actieve sites, waarbij koolstofcorrosie een andere reden was. 

In een apart onderzoek¹ ontdekten onderzoekers van de University of Wisconsin-Madison, Cornell University en Wuhan University een nieuwe manier om de reactie te katalyseren voor waterstofbrandstofcellen.

De onderzoekers gebruikten goedkoop, niet‑edelmetaal nikkel voor zowel de kathode‑ als anode‑elektroden van de brandstofcel. De nikkel‑gebaseerde elektrokatalysator werd ontworpen met een 2‑nanometer schaal van stikstof‑gedoopte koolstof.

Het inbedden van enkele nikkel‑atomen in een grafeen‑achtige omhulling van koolstof‑ en stikstofatomen maakte ze resistent tegen oxidatie en bondde waterstofatomen met de ideale sterkte die nodig is voor een effectieve waterstofoxidatiereactie (HOR).

Dus, met een anode‑katalysator van een solide nikkelkern omhuld door een koolstofschil en een kathode van kobalt‑mangaan, creëerden onderzoekers een waterstofbrandstofcel zonder enig edelmetaal met een output van meer dan 200 mW/cm².

Terug in 2020 ontdekten wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het DOE en ontwikkelden de meest veelbelovende platina‑vrije katalysator voor waterstofbrandstofcellen die afhankelijk zijn van de zuurstofreductiereactie (ORR). Het was gebaseerd op ijzer, stikstof en koolstof, die werden gemengd en verhit tussen 900 en 1100 graden Celsius in pyrolyse.

Vervolgens werden de ijzeratomen van het materiaal gebonden aan stikstofatomen en ingebed in grafeen. Hier vormt elk ijzeratoom een site waarop de ORR kan plaatsvinden, waardoor de elektrode efficiënter wordt.

Te midden van deze groeiende interesse in het verminderen van de afhankelijkheid van duur platina en het verbeteren van de efficiëntie en kosteneffectiviteit van waterstofbrandstofcellen en elektrolyse, hebben wetenschappers nu een op palladium gebaseerde nanosheet‑katalysator ontwikkeld waarvan de prestaties gelijkwaardig zijn aan die van platina bij waterstofproductie.

Palladium als alternatief voor platina voor betaalbare waterstof

De nieuwste² studie kwam van de onderzoekers van de Tokyo University of Science (TUS) die een nieuw waterstofontwikkelingskatalysator hebben ontwikkeld, bis(diimino)palladium coördinatie‑nanosheets (PdDI).

Palladium is een glanzend, zilverachtig en een van de meest voorkomende platina‑groepsmetalen met een dichtheid veel lager dan platina.

Het gebruik van palladium, dat efficiëntie biedt die vergelijkbaar is met platina tegen een fractie van de kosten, effent de weg voor betaalbare en duurzame waterstofproductie om de revolutie van schone energie te versnellen. 

Onder leiding van professor Hiroshi Nishihara en Dr. Hiroaki Maeda van TUS in samenwerking met onderzoekers van andere instituten, markeert de studie een doorbraak in de waterstofontwikkelingsreactie (HER) technologie.

De HER‑katalysatorelektroden vergemakkelijken de omzetting van H, die wordt geproduceerd aan het elektrodoppervlak tijdens waterstofsplitsing, in waterstofgas (H2). Om de beperkingen van Pt die de grootschalige toepassing als HER‑katalysator beperken, te overwinnen, biedt het team een zeer efficiënte alternatieve voor platina‑katalysatoren met een eenvoudig syntheseproces.

Het team creëerde op palladium gebaseerde nanosheets die het vermogen hebben om een verhoogde katalytische activiteit te bereiken met verminderd gebruik van edelmetalen, wat de kosten van H2‑productie aanzienlijk verlaagt.

Zoals Dr. Maeda opmerkte, “het ontwikkelen van efficiënte HER‑elektrokatalysatoren is de sleutel tot duurzame H2‑productie” en “Bis(diimino)metal coördinatie‑nanosheets, met hun hoge geleidbaarheid, grote oppervlakte en efficiënte elektronenoverdracht, zijn veelbelovende kandidaten.” Naast deze eigenschappen vermindert de spaarzame metaalindeling van de nanosheets het materiaalgebruik. 

De PdDI nanosheets, te weten E-PdDI en C-PdDI, werden met succes ontwikkeld met twee verschillende methoden:

1. Elektrochemische oxidatie
2. Gas‑vloeistof interfaciale synthese

Na activering toonden de E-PdDI‑vellen een lage overpotentiaal van 34 mV, wat betekent dat er weinig extra energie nodig is voor waterstofproductie. Het komt niet alleen overeen met de overpotentiaal van platina, die 35 mV is, maar ook met de katalytische prestatie van het edelmetaal met een uitwisselingsstroomdichtheid van 2,1 mA/cm².

De “opmerkelijke prestatie” overtreft niet alleen die van Pd‑metaalelektroden maar ook conventionele MDI (M=Ni, Co, Cu) nanosheets, merkte de studie op, en voegde toe dat deze uitzonderlijke prestatie werd bereikt ondanks het gebruik van zeer kleine hoeveelheden edelmetalen.

Met deze resultaten presenteert E-PdDI de tot nu toe meest efficiënte HER‑katalysatoren, waardoor het een veelbelovend kosteneffectief alternatief voor platina is.

Wat betreft lange‑termijn stabiliteit, een van de kritieke aspecten van elke katalysator, vertoonden de PdDI nanosheets ook uitstekende duurzaamheid. Ze bleven intact na 12 uur in zure omstandigheden, wat hun toepasbaarheid voor real‑world waterstofproductiesystemen bevestigt. 

“Ons onderzoek brengt ons een stap dichter bij het betaalbaarder en duurzamer maken van H2‑productie, een cruciale stap voor het bereiken van een schone energietoekomst.”

– Dr. Maeda

Door de afhankelijkheid van schaars en kostbaar platina te verminderen, sluiten bis(diimino)palladium coördinatie‑nanosheets (PdDI) ook aan bij de Duurzame Ontwikkelingsdoelen (SDG’s) van de VN, die betaalbare en schone energie evenals innovatie en infrastructuur bevorderen. 

Opmerkelijk is dat de studie niet beperkt is tot laboratoriumexperimenten. De kosteneffectiviteit, schaalbaarheid en verbeterde activiteit van PdDI nanosheets maken ze uiterst bruikbaar in grootschalige energieopslagsystemen, waterstofbrandstofcellen en industriële waterstofproductie.

Bovendien kan PdDI de mijnbouwgerelateerde emissies die gepaard gaan met platina‑gebaseerde katalysatoren verminderen, waardoor de overgang naar een duurzame waterstofeconomie wordt versneld. De volgende stap voor het TUS‑team is het optimaliseren van PdDI nanosheets voor gebruik in de praktijk.

Klik hier om alles te leren over investeren in Palladiu

Investeerbare innovatieve bedrijven 

Laten we nu een prominente naam in het veld bekijken die helpt bij de vooruitgang van schone energietechnologieën, inclusief de ontwikkeling van platina‑vrije waterstofkatalysatoren.

Plug Power Inc.

Het bedrijf met een marktkapitalisatie van $1,54 miljard is gespecialiseerd in waterstofbrandstofcelsystemen en heeft onderzoek gedaan naar niet‑platina katalysatoren om kosten te verlagen en efficiëntie te verbeteren.

Op het moment van schrijven worden PLUG-aandelen verhandeld tegen $1,71, een daling van 21,6% YTD. De EPS (TTM) is -2,54, en de P/E (TTM) is -0,65.

Voor Q4 2024, Plug Power (PLUG ) meldde $191,5 miljoen aan omzet en een brutomargeverlies van 122%, terwijl de operationele kasstroom met 46% YoY verbeterde. Het sloot het jaar af met meer dan $200 miljoen onbegrensde cash. Het bedrijf heeft onlangs een DOE‑leningsgarantieprogramma van $1,66 miljard afgerond. 

Gedurende deze periode bleef Plug Power’s elektrolyzer‑business opschalen, en werd de waterstofbusiness versterkt.

“2024 was een jaar van sterke uitvoering en betekenisvolle strategische vooruitgang voor Plug terwijl we onze initiatieven voortzetten en stappen maakten in het bevorderen van de waterstofeconomie.”

– CEO Andy Marsh

Laatste nieuws over Plug Power

Conclusie

Met de wereldbevolking die snel groeit, wat verwacht wordt te stijgen tot ongeveer 10,3 miljard tegen het midden van de jaren 2080, zal het probleem van broeikasgasemissies nog ernstiger worden. Dit creëert een noodzaak om onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen en energiebronnen te omarmen die schoon, veiliger, overvloedig en milieuvriendelijk zijn.

Hier is waterstofenergie naar voren gekomen als een belangrijke drijvende kracht voor een schone en duurzame toekomst, en biedt een emissievrij alternatief voor fossiele brandstoffen. Hoewel veelbelovend, is de grootschalige productie van waterstof sterk afhankelijk van dure platina‑gebaseerde katalysatoren, wat kosten tot een grote uitdaging voor de industrie maakt.

Door het kostbare Pt‑metaal te vervangen door PdDI‑nanosheets, heeft de nieuwste studie een doorbraak bereikt in de kosteneffectieve productie van elektroden en heeft het uitstekende resultaten opgeleverd in de elektrodenleverende industrieën, waterstofproductie en de automobielsector.

Klik hier voor een lijst van top clean energy aandelen met milieufocus. 

Gerefereerde studies:

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). Een volledig edelmetaal‑vrije alkalische brandstofcel met verbeterde prestaties door gebruik van een koolstof‑gecoat nikkel‑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). Synthese van Bis(diimino)palladium Nanosheets als zeer actieve elektrokatalysatoren voor waterstofontwikkeling. Chemistry – A European Journal. https://doi.org/10.1002/chem.202403082