Ikke-eddelmetallkatalysatorer baner vei for rimlig hydrogen

Etter hvert som verden går bort fra fossilt brensel for å dempe den globale oppvarmingskrisen, får hydrogen stadig mer oppmerksomhet som ‘drivstoffet for fremtiden’.

Dette skyldes flere faktorer, inkludert rikelig vann, høyere energiytelse, kun vann som biprodukt, og minimale eller ingen klimagassutslipp (GHG). Disse egenskapene gjør ren hydrogen anvendelig i en rekke sektorer som transport, kraftproduksjon, oppvarming og industri, inkludert stål, kjemikalier og sement.

Selv om hydrogen viser enormt potensial for å dekarbonisere samfunnet, kommer mesteparten av H₂ som produseres i dag fra fossilt brensel (metan), noe som fører til betydelige CO₂‑utslipp. Dette innebærer et behov for skalerbare alternativer for å produsere grønn og ren hydrogen.

Som følge av dette fokuserer pågående forskning på å finne effektive og miljøvennlige metoder for å produsere hydrogenbrensel.

HER: En lovende vei for grønn hydrogenproduksjon

En av de lovende tilnærmingene til produksjon av grønn hydrogen som har fått betydelig oppmerksomhet, er vannelektrolyse.

En nøkkelreaksjon som forekommer i elektrolyse av vann for hydrogenproduksjon er hydrogenutviklingsreaksjonen (HER), en grunnleggende prosess innen elektrolyse.

Elektrolyse av vann er simpelthen bruk av elektrisitet for å splitte vann i oksygen (O₂) og hydrogen (H₂), og gir en effektiv og ren måte å produsere hydrogenbrensel i stor skala.

Takket være lav Ohm‑tap (som er den potensielle energien som går tapt som varme når elektriske ladninger strømmer gjennom et medium), høy strøm‑tetthet og lav gass‑kryssingsrate, gjør overføring av HER‑prosessen fra laboratorie‑skala til kommersiell proton‑bytte‑membran (PEM) vann‑elektrolysator en bærekraftig vei til grønn hydrogen.

I PEM‑elektrolyse produseres hydrogen ved å splitte vann med elektrisitet og en solid polymer‑elektrolytt. I denne prosessen påføres først elektrisitet for å separere vannmolekyler til hydrogenioner (protoner), elektroner og oksygen. Protonene beveger seg deretter gjennom membranen, en proton‑ledende polymer som skiller anode og katode, mens elektroner går gjennom en ekstern krets.

Ved anoden oksideres vannmolekylet og produserer kun oksygen, protoner og elektroner. Ved katoden kombineres protoner og elektroner for å danne hydrogen­gass.

Denne metoden brukes til å produsere hydrogen til brenselceller i tillegg til å bli benyttet i ulike industrielle prosesser som gjødselproduksjon, petroleumsraffinering og petrokjemi.

Problemet oppstår under røffe driftsforhold, som det sterke reduserende sure elektrolytt‑katalysator‑grensesnittet. Dette miljøet gjør at kommersielle PEM‑elektrolysatorer må bruke platina (Pt)‑katode, som ikke er rikelig tilgjengelig og derfor er kostbar, for å opprettholde høy aktivitet.

De harde forholdene gjør slike katoder (basert på ikke‑eddelmetaller) uegnet for proton‑bytte‑membran (PEM) elektrolysator.

Den brede virkelige anvendelsen av PEM, som opererer på terawatt‑nivå, krever billige katalysatorer som kan erstatte edelmetaller. Selv om søket etter slike ikke‑eddelmetall‑baserte katoder som er egnet for PEM‑kommersialisering pågår, er det fortsatt utfordrende.

Her har overgangsmetall‑fosfider (TMP‑er) vist lovende egenskaper som HER‑katalysatorer, men bruken av dem for å erstatte edelmetaller er fortsatt i sin spede begynnelse. En hovedårsak er manglende forståelse av toleranse under røffe driftsforhold, samt overvåking av aktive‑sted‑rotasjoner under hydrogenproduksjonsprosessen.

Strategi for overflate‑rekonstruksjon produserer rimelig hydrogenbrensel

Nylig har bruken av CoP‑nanopartikler som katoder blitt rapportert som lett integrerbare i industrielle PEM‑vann‑elektrolysatorer, noe som viser deres potensielle kommersielle anvendelser.

Problemet ligger imidlertid i å skalere opp HER‑reaksjonen fra et laboratorieeksperiment til stor‑skala kommersiell produksjon samtidig som kostnadene holdes nede, noe den siste studien har oppnådd.

Ifølge funn publisert i Advanced Energy Materials¹ i april 2025, har et forskerteam ved Tohoku University demonstrert utvidet bruk av en CoP|F‑katode (F‑modifisert CoP) fra laboratorie‑skala (0,2 cm²) til en kommersiell PEM‑elektrolysator (38 cm²).

Mens de søkte etter overlegen HER‑ytelse, oppdaget forskerne at overflate‑rekonstruksjons‑veien kan skape langvarige ikke‑eddelmetall‑baserte katoder som forbedrer HER.

Disse katodene kan opprettholde ytelsen i over 300 timer. I tillegg kom kostnadsberegningen fra teamet svært nær 2026‑målet for H₂‑produksjon satt av USAs energidepartement, som er $2,00 per kg H₂.

For å akselerere HER‑reaksjonen, som naturlig er langsom og ineffektiv, vendte teamet seg mot TMP‑er. Overgangsmetall‑fosfider er en kostnadseffektiv og holdbar ikke‑eddelmetall‑katalysator. Den har en unik elektronisk struktur og høy katalytisk aktivitet, noe som forbedrer HER‑effektiviteten.

Siden edelmetaller vanligvis brukes til dette formålet, mener forskerne at det finnes et kunnskapshull om ikke‑eddelmetaller som må fylles.

En ikke‑eddelmetall‑katalysator refererer til et alternativt materiale som er kostnadseffektivt og rikelig tilgjengelig sammenlignet med edelmetaller. Disse katalysatorene gir justerbar reaktivitet, noe som betyr at de kan tilpasses etter behov for å øke stabilitet, selektivitet og aktivitet i ulike katalytiske prosesser.

Teamet forberedte derfor den F‑modifiserte CoP og brukte operando‑røntgen‑absorpsjonsspektroskopi (XAS) og Raman‑målinger for å vurdere egenskaper som overflate‑rekonstruksjon og faktiske aktive steder.

Resultatene bekreftet at tilsetning av fluor til CoP1‑x‑gitteret kan fremme brudd på Co‑P‑bindinger, noe som fører til rekonstruksjon av amorft metallisk Co. Dannelse av fosfor‑ (P)‑vakuum‑steder på overflaten skaper flere aktive steder, som akselererer HER.

Den rekonstruerte overflaten viser høy aktivitet og toleranse i det reduserende sure elektrolytt‑katalysator‑grensesnittet. Merk at når den brukes som katode i en kommersiell PEM‑elektrolysator, er ytelsen til CoP|F‑katoden sammenlignbar med den avanserte Pt/C‑katalysatoren til en kostnad på kun $2,17 per kg H₂‑1.

«Denne rekonstruerte Co er svært aktiv, fungerer i sure forhold, og kan opprettholde omtrent 76 W i over 300 timer», sa Heng Liu, førsteamanuensis ved Advanced Institute for Materials Research (WPI‑AIMR). «Vi nærmer oss en rimelig metode for å produsere drivstoff», la han til, og bemerket at kostnaden kun er 17 cent over det nåværende produksjonsmålet for 2026.

Med disse imponerende resultatene håper forskerne å tilby en overflate‑rekonstruksjons‑vei til svært effektive, kostnadsbesparende og holdbare ikke‑eddelmetall‑baserte katoder for kommersielle PEM‑elektrolysatorer.

Enda viktigere er at oppsettet ikke bare ble testet på laboratorie‑skala med tre elektroder, men faktisk ble utvidet til kommersiell skala. Med dette rasjonelle designet for helt nye katoder, som kan fungere som grunnlag for andre ikke‑eddelmetall‑baserte katoder, kan studien potensielt bygge bro mellom laboratorium og fabrikk.

«Vi tenker alltid på sluttmålet, som er at forskningen skal komme inn i hverdagen. Denne fremgangen bringer oss ett skritt nærmere å designe mer realistiske alternativer for kommersielle PEM‑applikasjoner.»

– Liu

Fremskritt innen ren hydrogenproduksjon

Etter hvert som hydrogen fremstår som en lovende ren og fornybar energikilde, er mye av oppmerksomheten nå rettet mot effektiv produksjon av hydrogen som kan møte kommersiell etterspørsel, med økt interesse for elektrisitetsdrevet vannsplitting.

Vann‑elektrolyse kan deles inn i to reaksjoner: hydrogenutviklingsreaksjonen (HER), hvor vann reduseres ved katoden for å produsere hydrogen, og oksygenutviklingsreaksjonen (OER), hvor vann oksideres ved anoden for å produsere O₂. I begge tilfeller spiller katalyse en sentral rolle, og det skapes et behov for svært effektive katalysatorer for å produsere H₂ og O₂ på en effektiv måte.

Bare denne måneden, i enda en studie fra AIMR, Tohoku University, foreslo forskerne et nytt katalysator‑rammeverk som gir et potensielt billig alternativ for hydrogenproduksjon via vann‑elektrolyse. Fokus var imidlertid på OER.

Materialet konsentrerer seg om mesoporøs (porøse materialer med porediameter på 2–50 nm) enkeltkrystallinsk Co₃O₄ (kobolt(II, III)‑oksid) dopet med atomisk dispergert iridium (Ir), designet for sur OER.

Selv om Ir er kjent for sin OER‑ytelse, er den sjelden og dyr. Å bruke iridium effektivt samtidig som stabiliteten opprettholdes, er også en utfordring ved oppskalering. Studien presenterer derfor en løsning gjennom et materiale som maksimerer atom‑nivå‑effektiviteten.

Med en mesoporøs spinell‑struktur kan katalysatoren ha høy Ir‑belastning (13,8 wt %) uten å danne store iridium‑klumper, noe som gjør at Co‑Ir‑bro‑steder kan dannes. Under sure OER‑forhold viste disse stedene høy iboende aktivitet.

For å analysere dette kombinerte forskerne eksperimentelle data med beregningsmodellering, som antyder at oksygen‑intermediater (O*) fullstendig dekker Co₃O₄‑overflater. Dette passiverer vanligvis Co‑steder, men Ir‑dopingen reaktiverer dem samtidig som den forbedrer katalysatorens strukturelle integritet.

Studien reduserte Ir‑ og Co‑tap til omtrent en fjerdedel respektivt en femtedel. I tillegg opprettholdt katalysatoren ytelsen i mer enn 100 timer.

«Mesoporøs arkitektur spiller en avgjørende rolle. Den gir plass for enkelt‑atom‑Ir‑belastning og bidrar til å skape et stabilt miljø for katalytisk aktivitet.»

– Studieleder Professor Hao Li

Fremtidig arbeid vil fokusere på justering av dopingsnivået, oppskalering av prosessen, og deretter integrering i kommersielle elektrolyttsystemer.

En annen studie som undersøkte en økonomisk iridium‑katalysator påpekte at analyse viser at for å møte verdens hydrogen‑etterspørsel for transport ved bruk av proton‑bytte‑membran‑vann‑elektrolyse (PEM‑WE), må iridium‑baserte anodematerialer være mindre enn 0,05 mg Ir/cm². De beste katalysatorene på markedet i dag, laget av iridium‑oksid, inneholder omtrent 40 ganger så mye.

Det positive er at løsninger på dette allerede utvikles. Heraeus Groups Kopernikus P2X‑prosjekt lager en ny, effektiv iridium‑basert nanokatalysator, bestående av et tynt lag iridium‑oksid (IrO₂) på en nanoskalatitan‑dioksid (TiO₂)‑støtte.

P2X‑katalysatoren viser bemerkelsesverdig stabilitet selv ved langvarig drift og presterer bedre enn den mer krystallinske referansen.

I tillegg til å arbeide med ulike teknikker for å gjøre hydrogenproduksjon kostnadseffektiv, skalerbar og miljøvennlig, utforsker forskere verden over også måter å lagre hydrogen effektivt på, noe som hjelper ren hydrogen med å oppnå reell adopsjon.

Tidligere i år demonstrerte et team av forskere med støtte fra USAs energidepartement en ny metode for å lagre og frigjøre flyktig hydrogen. Dette adresserer en av de største utfordringene med hydrogen som drivstoff: høye kostnader og ineffektivitet ved lagring og transport på grunn av lav tetthet og eksplosiv natur.

Det forskerne utviklet var en type lignin‑basert jetdrivstoff som kan binde hydrogen kjemisk i en stabil flytende form. Ifølge Washington State University‑professor Bin Yang kan dette «muliggjøre effektiv, høy‑tetthets‑lagring av hydrogen i et lett håndterbart, bærekraftig flydrivstoff, og eliminere behovet for trykktanker for lagring og transport».

Den nye prosessen brukte kjemiske reaksjoner som genererte aromatiske karboner og hydrogen fra det laboratorie‑utviklede eksperimentelle lignin‑jetdrivstoffet. Lignin, som finnes i planter, er en naturlig polymer og det nest mest forekommende materialet på jorden.

I de neste stegene vil forskerne designe en AI‑drevet katalysator for å forbedre reaksjonene, gjøre dem mer effektive og kostnadseffektive.

Innovativt selskap

Cummins Inc (CMI )

Den globale leverandøren av kraftløsninger, CumCummins Inc., opererer gjennom flere segmenter, inkludert Motor, Komponenter, Distribusjon, Kraftsystemer og Accelera.

Selskapet utforsker og bruker i stor grad hydrogenteknologi for motorer for å bidra til en bærekraftig fremtid. Cummins gikk inn i hydrogenøkonomien i 2019 med oppkjøpet av Hydrogenics, en produsent av hydrogen‑brenselceller og elektrolysatorer. Siden da har selskapet gjort kontinuerlige fremskritt.

Dette inkluderer lanseringen av 15‑L Hydrogen ICE og 15‑L Gassmotorer. Cummins‑porteføljen omfatter også hydrogenlagringsløsninger og utvikling av brenselcelleteknologi.

For noen år siden startet Accelera også produksjon av elektrolysatorer i Minnesota, sitt første amerikanske elektrolysator‑produksjonsanlegg.

«Storskala elektrolyse for å produsere grønn hydrogen er en nøkkelkomponent i dekarboniseringen av transport og industri.»

– Accelera‑president Amy Davis på den tiden.

I mars 2025 ble Cummins samtidig et stiftende medlem av Hydrogen Engine Alliance of North America (H2EA‑NA), et initiativ dannet av eksperter fra akademia, myndigheter og transportindustrien for å fremme hydrogen‑bensinmotorer (H2‑ICE) og deres anvendelse i marinemotorer samt på‑ og av‑veiskjøretøy og utstyr.

Når det gjelder selskapets markedsytelse, har Cummins‑aksjene opplevd en sterk oppadgående trend i over to tiår. Reisen har vært preget av nedturer underveis, noe som har gitt investorer gode kjøpsmuligheter. Det nesten 16 % nedtrekket i Cummins‑aksjene så langt i år kan sees på samme måte.

Per i dag handles CMI‑aksjene til $294,16, noe som gir Cummins en markedsverdi på $40,38 milliarder. Med dette har selskapet en EPS (TTM) på 28,17, en P/E (TTM) på 10,41 og en ROE (TTM) på 41,27 %. Interessant nok tilbyr Cummins også et utbytte på 2,48 %, noe som gjør det til en potensielt attraktiv investeringsmulighet.

Når det gjelder økonomi, var inntektene i 2024 – et år selskapet kalte «transformativt» for å ha gjort «betydelige fremskritt i å fremme vår Destination Zero‑strategi» og levert «rekordresultater» – flate på $34,1 milliarder.

Dette skyldtes at salget i Nord‑America økte med 1 % til tross for en nedgang i etterspørselen etter tunge lastebiler, mens internasjonale inntekter falt med 1 % sammenlignet med året før. En årsak var Atmus Filtration Technologies (ATMU ), som skilte seg fra Cummins (CMI ) i fjor for å bli et fullt uavhengig selskap. I tillegg gjennomgikk Accelera en omorganisering, som medførte kostnader på grunn av beslutningen om å strømlinjeforme driften og fokusere investeringer.

Cummins’ nettoresultat for hele 2024 var $3,9 milliarder, eller $28,37 per utvannet aksje, en betydelig økning på grunn av gevinsten knyttet til Atmus‑separasjonen.

For dette året projiserer Cummins at inntektene vil ligge mellom -2 % og +3 % på grunn av «litt svakere» etterspørsel som forventes i Nord‑America. Likevel delte selskapet en forpliktelse til sitt langsiktige strategiske mål om å returnere 50 % av driftskontantstrømmen til aksjonærene.

I 2024 økte Cummins faktisk sitt kontantutbytte på ordinære aksjer for 15. år på rad, og returnerte $969 millioner til aksjonærene gjennom utbytte.

Andre utviklinger fra selskapet i fjor inkluderer introduksjonen av Cummins HELM (Higher Efficiency, Lower Emissions and Multiple Fuels) motorplattform implementert i B‑, X10‑ og X15‑seriene, samt lanseringen av en ny motor kun for den japanske bilprodusenten Isuzus nye linje med mellomstore lastebiler.

Videre dannet Accelera, EVE Energy, Daimler Trucks & Buses og PACCAR (PCAR ) sitt joint venture kalt Amplify Cell Technologies for å lokalisere produksjon av battericeller og batteriforsyningskjeden i USA. Amplify har allerede startet byggingen av en 21 GWh‑fabrikk, med mål om å starte produksjon i 2027.

Siste nyheter om Cummins Inc.

Konklusjon

Et lovende alternativ til fossilt brensel er ren hydrogen. Denne kritiske komponenten i den globale dekarboniseringsstrategien tilbyr høy energitetthet, ikke‑forurensende biprodukter og allsidighet på tvers av ulike sektorer, noe som gjør det avgjørende å utvikle kostnadseffektive metoder for hydrogenproduksjon.

PEM‑elektrolyse er en slik tilnærming som kan bidra til å fremme verdens energiomstillingsinnsats. Her erstatter forskere ved Tohoku University dyre platinkatalysatorer med overflate‑designede ikke‑eddelmetall‑alternativer, et viktig skritt mot å gjøre ren hydrogen kommersielt levedyktig.

Kostnadsfordelene er nær USAs DOE‑mål, og oppskaleringen av CoP|F‑katoden i reelle PEM‑elektrolysatorer viser at vi potensielt låser opp ren hydrogen som en massemarkedsløsning for globale energibehov!

Klikk her for å lære hvorfor hydrogen fortsatt kan være fremtidens drivstoff.

Studier referert til

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). Surface reconstruction activates non-noble metal cathode for proton exchange membrane water electrolyzer. Advanced Energy Materials, 15(10), 2405846. https://doi.org/10.1002/aenm.202405846