Å låse opp effektiv hydrogenproduksjon for ren energi

Den kontinuerlige veksten i verdens befolkning og økonomi har ført til en betydelig økning i energietterspørselen, hvor omtrent 80 % av dette dekkes av fossile brensler. Disse ressursene er ikke bare i kraftig tilbakegang, men er også ansvarlige for en betydelig økning i klimagasser (GHG) i miljøet.

Som et resultat er det nå et økende fokus på fornybare energikilder, som solen, vind, vann, organisk materiale og jordens varme.

Fornybare energikilder, som er hentet fra naturlige ressurser som fornyes selv, er viktige for rene og bærekraftige energisystemer. De står imidlertid overfor mange utfordringer, inkludert uregelmessig tilgjengelighet, høye startkostnader, geografiske begrensninger og omfattende plassbehov.

Dette er hvor hydrogen kommer inn i bildet. Global etterspørsel etter hydrogen steg til 97 millioner tonn (Mt) i 2023, opp 2,5 % fra året før. 

Hydrogens rolle i overgangen til ren energi

Det letteste elementet i universet, hydrogen, har fremstått som en lovende løsning for å oppnå et mer bærekraftig energiekosystem på grunn av sin fleksibilitet og evne til å lagre en betydelig mengde energi i forhold til sin vekt.

Det er ikke en primær kilde som solen, men en sekundær, siden det må være produsert fra andre råmaterialer som vann, naturgass eller biomasse.

Når hydrogen produseres ved bruk av fossile brensler som naturgass (som for tiden er den vanligste metoden), er hydrogen ikke ren energi, da det bidrar til betydelige årlige CO₂-utslipp.

Imidlertid, når den brukes i en brenselcelle, produserer hydrogen kun vanndamp som biprodukt, noe som gjør den til et rent drivstoff.

Som en allsidig energibærer kan hydrogen bidra til å løse flere kritiske energiproblemer. Den kan støtte integreringen av fornybar energi i el‑systemet ved å lagre energi i uker eller til og med måneder.

Lavutslippshydrogen produsert med kjernekraft eller fornybar energi, eller fossile brensler med karbonfangst, samtidig, kan bidra til å dekarbonisere en rekke sektorer. Tungindustri og langdistansetransport, hvor reduksjon av utslipp er spesielt utfordrende, kan ha stor nytte av den. Denne hydrogenproduksjonen spiller imidlertid fortsatt en marginal rolle, under 1 % i 2023.

Hydrogen kan faktisk utvinnes fra ulike teknologier. En av de mest effektive metodene for å produsere bærekraftig hydrogen er gjennom vannelektrolyse. I denne energikrevende elektrolysen brukes elektrisitet til å splitte vann i hydrogen og oksygen. Teknologien er godt utviklet og kommersielt tilgjengelig, selv om den anslåtte energieffektiviteten er rundt 52 %.

En annen tilnærming er plasmolyse, som har vist den energiytelsen på nivå med elektrolyse, med den ekstra fordelen av redusert strømforbruk, lavere hovedkostnad og mindre utstyrsstørrelse. Nye fremskritt innen mikrofluidikk og mikro‑plasma har gjort hydrogenproduksjon ved vannfordampnings‑plasmolyse lønnsom med tanke på energieffektivitet.

Andre måter å utvinne hydrogen for elektrisitet inkluderer fotokatalyse, biohydrogen og termokjemiske prosesser.

Swipe to scroll →

Selv om hydrogenteknologi er lovende, møter dens omfattende bruk fortsatt vanskeligheter når det gjelder produksjonskostnad, effektivitet og generell miljømessig bærekraft. Gitt behovet for renere energikilder, ser forskere verden over kontinuerlig på å løse disse problemene med nye materialer og bedre teknologi.

Katalysatorinnovasjoner som driver hydrogeneffektivitet

Etter hvert som hydrogenteknologier går fra konsept til kommersialisering, er en av de viktigste utfordringene med materialene som gjør disse systemene effektive og skalerbare. For å løse dette arbeider forskere med ulike tilnærminger.

For eksempel introduserte en studie fra Kinesisk akademi for vitenskap, publisert¹ denne måneden i Nature, en liten jernkatalysator som et alternativ til platina i protonutvekslingsmembran‑brenselceller (PEMFC), med potensial til å forandre fremtiden for ren energi.

PEMFC-er er rene energienheter som produserer elektrisitet fra hydrogen og oksygen, med vann som eneste biprodukt. Men de er sterkt avhengige av sjelden og dyrt platina som katalysator. Så, for å hjelpe med deres brede adopsjon, har forskerne utviklet en høyytelses jernbasert katalysator for disse brenselcellene.

Med sin smarte «indre aktivering, ytre beskyttelse»-design kan den nye katalysatoren oppnå utmerket ytelse samtidig som den reduserer skadelige biprodukter.

Selv om Fe/N–C‑katalysatorer er blant de mest lovende alternativene til platina‑gruppe‑metallkatalysatorer, oppfyller ikke deres aktivitet og holdbarhet ytelseskriteriene. Derfor designet og utviklet teamet en ny type Fe/N–C‑katalysator laget av tallrike nanoprotrusjoner fordelt på 2D‑karbonlag med enkelt‑Fe‑atom‑steder innfelt i den indre buede overflaten av nanoprotrusjonene. 

Som et resultat klarte den nye katalysatoren å levere «en av de best presterende» PEMFC‑ytelsene uten platina‑gruppe‑metaller, med 86 % aktivitetstilbakeholdelse selv etter over 300 timer kontinuerlig drift.

En annen nøkkelteknologi for å produsere hydrogen på en klimanøytral måte gjennom vannelektrolyse er Protonutvekslingsmembran‑vann‑elektrolyse (PEM‑WE).

For å akselerere den ønskede reaksjonen blir elektroder belagt med spesielle elektrokatalysatorer. For anoden brukes ofte iridium‑baserte katalysatorer, spesielt for den sure oksygenutviklingsreaksjonen (OER).

OER er oksygenproduksjonstrinnet i vannsplittingsprosessen som genererer ren hydrogenenergi, men den er fortsatt utfordrende og ineffektiv. Denne reaksjonen er mest effektiv når iridium‑baserte katalysatorer benyttes.

Oppdaget i 1803, forekommer iridium ikke i ren form i naturen, men blir kommersielt gjenvunnet som et biprodukt av produksjon av platina, palladium, nikkel eller kobber. 

Iridium er et tett, hardt metall som forblir upåvirket av luft, vann og syrer. På grunn av disse egenskapene, er det brukt i tennplugger, vitenskapelig utstyr, katalysatorer, ledende blekk for elektronikk og kreftbehandling.

Metallet brukes sjelden i ren form på grunn av vanskeligheter med fremstilling og bearbeiding; i stedet, er det brukt i form av platina‑legeringer.

Iridium (Ir) er imidlertid et høyt verdsatt metall og ett av de sjeldnest forekommende elementene i jordskorpen. Iridium‑holdige malmer finnes i Sør‑Afrika, USA (Alaska), Brasil, Russland, Myanmar og Australia.

Dets knapphet, kombinert med den høye etterspørselen fra industrier som elektronikk, gjør det svært dyrt. Iridium er faktisk mer verdt enn gull, med en pris på nesten $5 000 per unse.

Så, gir det mening at forskere kontinuerlig leter etter nye metaller som kan erstatte iridium for å fremme den storskala adopsjonen av PEMWEs. Oppdagelsen av ikke‑Ir‑alternativer er imidlertid ikke enkel og forblir langsom på grunn av det enorme designrommet som er involvert.

For noen måneder siden, en studie² fra Advanced Institute for Materials Research (AIMR) ved Tohoku University beskrev en ny porøs krystallkatalysator som en effektiv og holdbar løsning for ren hydrogenproduksjon gjennom vannelektrolyse. 

Materialet i denne studien er mesoporøs enkeltkrystallinsk Co3O4 dopet med atomisk spredt iridium for den sure OER.

Den mesoporøse spinelstrukturen spiller en nøkkelrolle, da den tillater høy Ir‑belastning (13,8 % vekt) uten dannelse av store iridiumklustre. I tillegg til å gi plass for Ir‑belastning, bidrar arkitekturen også til å skape et stabilt miljø.

Katalysatoren opprettholdt sin ytelse i mer enn 100 timer med kun 248 mV overpotensial (η₁₀).

I en annen nylig studie har forskere laget en «megalibrary» for å utforske katalytisk aktivitet av millioner av ulike nanostrukturer sammensatt av noen få nøkkelmetaller, og hjelper med å finne alternativer til Ir‑katalysatorer for OER i stor skala og hurtig.

Klikk her for å lære hvordan ikke‑edelmetallkatalysatorer baner vei for rimelig hydrogen.

Rask katalysatoroppdagelse med nanoteknologi

Den siste studien³ har faktisk funnet en ny katalysator for hydrogenbrenselproduksjon som både er kostnads- og energieffektiv.

Publisert denne måneden i Journal of the American Chemical Society (JACS), ble oppdagelsen av katalysatoren gjort ved bruk av en ny nanopartikkel‑megalibrary, og den matcher eller overgår iridiums ytelse i hydrogenbrenselproduksjon, til en brøkdel av kostnaden.

I mange år har forskere lett etter alternativer til iridium. Men det som tok tiår, ble nå oppdaget i løpet av en enkelt ettermiddag ved hjelp av det kraftige nye verktøyet utviklet av forskere fra Northwestern University.

Dette nyoppfunnede verktøyet kalles en megalibrary, som er verdens første nanomateriale‑«dataverksted». Hver av disse bibliotekene inneholder millioner av ulike nanopartikler på en liten chip.

Teknologien ble deretter brukt, i samarbeid med forskere fra Toyota Research Institute (TRI), for å finne kommersielt relevante katalysatorer for hydrogenproduksjon. Materialet ble deretter skalert opp, og vist å fungere i en enhet. Alt dette ble gjort på rekordtid.

For å oppdage nye katalysatorer, brukte forskerne fire rimelige, rikelige metaller, som alle er kjent for sin katalytiske ytelse. Disse metallene er:

1. Kobolt (CO)
2. Krom (CR)
3. Mangan (MN)
4. Ruthenium (Ru)

Megalibraryen ble deretter brukt til å screene enorme kombinasjoner av disse metallene raskt for å finne et nytt materiale som kan matche iridiums ytelse.

Teamet fant et slikt nytt materiale som var sammenlignbart med kommersielle iridium‑baserte materialer i laboratorieytelse. I noen tilfeller overgikk ytelsen dem til en brøkdel av kostnaden.

Denne oppdagelsen kan potensielt gjøre grønn hydrogen rimelig.

Dessuten demonstrerer det nye materialet effektiviteten av megalibrary‑tilnærmingen, som kan endre måten forskere oppdager nye materialer for ulike anvendelser.

Ifølge seniorstudieforfatter Chad A. Mirkin, som er hovedoppfinneren av megalibrary‑plattformen og den som faktisk introduserte megalibraryene for omtrent et tiår siden i 2016:

«Vi har sluppet løs sannsynligvis verdens mest kraftfulle synteseverktøy, som gjør det mulig å søke gjennom det enorme antallet kombinasjoner tilgjengelig for kjemikere og materialvitere for å finne materialer som betyr noe.»

I megalibrary‑prosjektet kanaliserte teamet den evnen mot et stort problem i energisektoren. Problemet, som nanoteknologipioner Mirkin bemerket, var:

«Hvordan finner vi et materiale som er like bra som iridium, men som er mer rikelig, mer tilgjengelig og mye billigere? Dette nye verktøyet gjorde det mulig for oss å finne et lovende alternativ og finne det raskt.»

Mirkin er professor i kjemi ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences og professor i kjemisk og biologisk ingeniørfag, biomedisinsk ingeniørfag, samt materialvitenskap og -ingeniørfag ved McCormick School of Engineering. 

Grønn hydrogen er et kritisk behov for verden, men den er begrenset av sin avhengighet av ett av de sjeldnest forekommende materialene for å fungere.

«Det finnes ikke nok iridium i verden til å dekke alle våre forventede behov.»

– Ted Sargent, professor i kjemi ved Weinberg og professor i elektrisk og datateknikk ved McCormick

Sargent og Mirkin arbeidet sammen på prosjektet.

«Når vi tenker på å splitte vann for å generere alternative former for energi, er det ikke nok iridium fra et rent forsyningsperspektiv.»

– Sargent

Å oppdage nye kandidater for å erstatte dette metallet ble den perfekte anvendelsen for det nye verktøyet, som kan revolusjonere den langsomme og krevende tradisjonelle prosessen for materialoppdagelse. I motsetning til den tradisjonelle prøving‑og‑feiling‑metoden gjør de nye megalibraryene en rask identifisering av optimale sammensetninger mulig.

Hver megalibrary er laget med en gruppe på hundretusener av små, pyramideformede spisser for å trykke individuelle «prikker» på en overflate. Hver prikk inneholder en nøye designet blanding av metalsalter som, når de varmes opp, reduseres til å danne enkelt‑, unike nanopartikler, hver med presis størrelse og sammensetning.

Ifølge Mirkin:

«Du kan tenke på hver spiss som en liten person i et lite laboratorium. I stedet for å ha én liten person som lager én struktur om gangen, har du millioner av personer. Så har du i praksis en hel hær av forskere distribuert på en chip.»

Totalt hadde chipen 156 millioner partikler, hver dannet fra ulike kombinasjoner av Co, Cr, Mn og Ru. En robot‑skanner analyserte deretter kun hvor godt de kan utføre en oksygenutviklingsreaksjon (OER). 

Denne evnen til å screene partikler for deres endelige ytelse er en stor innovasjon.

«For første gang klarte vi ikke bare å raskt screene katalysatorer, men vi så de beste fungere godt i en oppskalert setting.»

– Studie‑medforfatter Joseph Montoya, senior forskningsforsker ved TRI

Basert på vurderingen valgte forskerne 40 best‑presterende kandidater, fra lav til høy aktivitet, for videre testing i laboratoriet. RuCoMnCr‑oksidene ble skalert til milligramnivå før de ble studert for sin katalytiske ytelse.

En sammensetning skilte seg ut til slutt. Denne presise kombinasjonen av alle fire metaller var: Ru52Co33Mn9Cr6‑oksid.

Dermed klarte teamet å få en fler‑metallkatalysator, som er faktisk kjent for å være mer aktiv enn sine enkelt‑metallmotparter.

«Vår katalysator har faktisk litt høyere aktivitet enn iridium og utmerket stabilitet,» sa Mirkin. «Det er sjeldent fordi ruthenium ofte er mindre stabilt. Men de andre elementene i sammensetningen stabiliserer ruthenium.»

Katalysatoren genererte en spenning på 1,58 V ved 1 A/cm² og 1,77 V ved 3 A/cm².

Når det gjelder langsiktig ytelse, opererte denne nye katalysatoren i over 1 000 timer med høy effektivitet og bemerkelsesverdig stabilitet i et hardt surt miljø, samtidig som den kostet omtrent en sekstendedel av iridium.

«Det er mye arbeid som gjenstår for å gjøre dette kommersielt levedyktig, men det er veldig spennende at vi kan identifisere lovende katalysatorer så raskt – ikke bare på laboratorienivå, men også for enheter.»

– Montoya

I prosessen med å finne en ny katalysator har teamet laget massive, høykvalitets materialdatasett, som kan bane vei for maskinlæring og AI til å designe neste generasjon av nye materialer.

TRI, Northwestern og deres spin‑off Mattiq har allerede utviklet en algoritme for å søke i megalibraryene i lynrask hastighet. 

Likevel er dette bare begynnelsen. Akkurat som med AI kan megalibrary‑tilnærmingen skaleres utover kun akselerert katalysatoroppdagelse for energikonvertering, og transformere materialoppdagelse for nesten enhver teknologi, som avanserte optiske komponenter, biomedisinske enheter, batterier og mer.

«Vi kommer til å lete etter alle slags materialer for batterier, fusjon og mer,» sa Mirkin. «Verden bruker ikke de beste materialene for sine behov. Folk fant de beste materialene på et tidspunkt, gitt verktøyene de hadde. Problemet er at vi nå har en enorm infrastruktur bygget rundt disse materialene, og vi sitter fast med dem. Vi vil snu dette på hodet. Det er på tide å virkelig finne de beste materialene for hvert behov – uten kompromisser.»

Investere i kraften til hydrogen

Bloom Energy Corp (BE ) er engasjert i stasjonær brenselcellekraftproduksjon. Den leverer to kommersielle: Bloom Electrolyzer for produksjon av hydrogen og Bloom Energy Server for generering av elektrisitet.

Selskapet produserer hydrogen fra verdens største elektrolyser, som er installert ved NASA’s Ames Research Center, og genererer omtrent 25 % mer hydrogen per megawatt enn kommersielle elektrolyser som PEM eller alkalisk.

Så langt har Bloom Energy distribuert 1,5 GW lavkarbonkraft på over 1 200 installasjoner globalt.

Med en markedsverdi på $12,38 milliarder, handles BE‑aksjene til $53,15, opp 138,36 % år‑til‑dato. Nylig passerte selskapets aksjer $55 og nådde nye høyder takket være økt interesse fra hyperskalere og datasentre. Også, i juli sikret selskapet en milepælavtale med Oracle (ORCL ) og antydet flere slike avtaler i fremtiden.

Den har en EPS (TTM) på 0,11 og en P/E (TTM) på 495,23.

Når det gjelder økonomi, rapporterte den en 19,5 % år‑til‑år økning i inntekter til $401,2 millioner for andre kvartal som endte 30. juni 2025. Bruttomarginen for perioden var 26,7 % og non‑GAAP bruttomargin var 28,2 %. Driftsunderskuddet var $3,5 millioner, og non‑GAAP driftsinntekt var $28,6 millioner.

«Ettersom kraft på stedet blir stadig mer selvinnlysende, gitt rask AI‑vekst, har det aldri vært en bedre markedsetterspørsel etter Bloom‑produktene. I motsetning til alternativer er våre produkter spesielt utviklet for den digitale revolusjonen.»

– Grunnlegger og administrerende direktør KR Sridhar

Siste nyheter og utviklinger for Bloom Energy Corp (BE) aksjer

Konklusjon

Det enkleste og mest rikelige elementet i universet, hydrogen, lover en vei mot en grønnere fremtid. Elementet har tross alt potensialet til å overbruke fornybar intermittens og avkarbonisere sektorer som er vanskelige å redusere. Men å realisere dette løftet krever investering, innovasjon og samarbeid på tvers av industrier.

Siste gjennombrudd innen katalysatorer og elektrolyse kan bidra til å øke effektiviteten i hydrogenproduksjon, og dermed akselerere overgangen til en bærekraftig energiekonomi.

Referanser:

1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C., et al. Surt oksygenreduksjon ved enkelt‑atom Fe‑katalysatorer på buede støtter. Nature, 644, 668–675, publisert 13. august 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6
2.  Wang, Y., Qin, Y., Liu, S., Zhao, Y., Liu, L., Zhang, D., Zhao, S., Liu, J., Wang, J., Liu, Y., Wu, H., Jia, B., Qu, X., Li, H., Qin, M. Mesoporøse enkeltkrystallinske partikler som robuste og effektive sure oksygenutviklingskatalysatorer. Journal of the American Chemical Society, 147(16), 13345–13355, publisert 8. april 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.4c18390
3. Huang, J., Wang, Z., Liang, J., Li, X-Y., Pietryga, J., Ye, Z., Smith, P. T., Kulaksizoglu, A., McCormick, C. R., Kim, J., Peng, B., Liu, Z., Xie, K., Torrisi, S. B., Montoya, J. H., Wu, G., Sargent, E. H., Mirkin, C. A. Akselerering av tempoet for oppdagelse av katalysatorer for oksygenutviklingsreaksjon gjennom megalibraryer. Journal of the American Chemical Society, 147(34), publisert 19. august 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.5c08326