Jernkatalysatorer gjør hydrogenbrenselceller praktiske

Hydrogenbrenselceller: Jernkatalysatorer som et platinalternativ

Hydrogen kan, i teorien, være det perfekte drivstoffet for en grønn fremtid: Det kan produseres fra fornybar elektrisitet, produserer ingen forurensninger ved forbruk, og krever kun vann som materiale for produksjonen.

Imidlertid har det vært utfordrende å produsere hydrogen til en lav nok kostnad. Alternative systemer, som samproduksjon av ferskvann samtidig, nye hydrogenkatalysatorer som ikke krever edle metaller, eller fotokatalyse, blir utforsket.

Et annet trinn som reduserer den kommersielle levedyktigheten til hydrogen er på forbruksstadiet. Når det ikke brukes i en forbrenningsmotor (lik en drivstoffmotor, med lavere effektivitet), brukes brenselceller, som vanligvis krever dyrt platina som katalysator.

Dette gjør ikke bare brenselceller dyrere, men det kan også hindre masseadopsjonen av hydrogen som drivstoff, da platina og tilhørende metaller som palladium er svært sjeldne på jorden, noe som gjør en økning i deres produksjon vanskelig å oppnå.

Heldigvis kommer alternativer, takket være arbeidet til kinesiske forskere ved mange av landets ledende forskningsinstitusjoner: Kinesisk akademi for vitenskap, Shenzhen University (Kina), Southeast University (Kina), Tsinghua University, Beijing University of Chemical Technology, City University of Hong Kong og Xiamen University.

De publiserte¹ oppdagelsen av en ny jernbasert katalysator for brenselceller i det prestisjetunge vitenskapelige tidsskriftet Nature, under tittelen “Syrereduksjon av oksygen ved enkeltatom Fe‑katalysatorer på buede støtter”.

Hvordan brenselceller fungerer

Delene av brenselceller som genererer elektrisitet fra forbruk av hydrogen er protonutvekslingsmembranene (PEM).

Brenselceller fungerer ved å katalysere omdannelsen av hydrogen (H₂) til protoner (H+‑ioner) + elektroner, og skaper en elektrisk strøm. Som nevnt tidligere er denne katalysatoren tradisjonelt platina, et dyrt metall.

Kilde: Wikipedia

I stedet har de kinesiske forskerne laget et nytt katalysatordesign, beskrevet som «indre aktivering, ytre beskyttelse», som baserer seg på enkelt jern som katalysator.

Jernbaserte hydrogenkatalysatorer

Utfordringer med jernkatalysatorer i brenselceller

Ideen om å bruke en jernkatalysator, som naturlig kan fange oksygen (en tendens vi vanligvis kjenner som «rust») og binde den til hydrogenionene, er ikke ny.

Men så langt har den blitt hindret av uønskede kjemiske reaksjoner, spesielt sterk adsorpsjon av oksygenholdige reaksjonsintermediater, og demetallisering av jernatomer. Så enten blir jernatomene «fastklemt» med oksygenrike forbindelser, eller de blir ute av stand til å fungere som katalysator.

For å stoppe disse uønskede reaksjonene, laget forskerne en unik nanostruktur for jernkatalysatoren.

Nanostrukturerte hule jernkatalysatorer

Tradisjonelle jernkatalysatorer er avhengige av en ytre overflate av grafen- eller karbonstøtter, noe som begrenser mengden tilgjengelig jern for de ønskede reaksjonene med hydrogen.

I stedet ble metoden brukt til å lage en indre buet overflate med et enkeltatom jernkatalysatorsite.

Hvert av disse stedene er plassert i en nanokonfidert hul multishell‑struktur (HoMS). Disse nano‑HoMS er spredt over og bundet til et 2D‑karbonlag, likt grafen.

Kilde: Research Gate

De nano‑hule partiklene er omtrent 10 nm × 4 nm i størrelse, og består av flere skall hvor jernatomer er konsentrert i de indre lagene med høy tetthet. Synkrotron‑røntgenabsorpsjonsspektroskopi viste at disse indre Fe‑atomene er i en katalytisk aktiv tilstand i 57,9 % av tilfellene.

Kilde: Research Gate

Ytelsesforbedringer med jernkatalysatorer

Sveip for å rulle →

Nanostrukturen svekker bindingsstyrken til de oksygenholdige reaksjonsintermediater, og fjerner en viktig begrensning for jernbaserte katalysatorer.

Kilde: Research Gate

Den reduserer også produksjonsraten av hydroksylradikalen (•OH), et svært reaktivt og skadelig molekyl som alltid kan være et problem i oksygen‑hydrogen‑reaksjoner.

Det endelige resultatet er en brenselcelle som bruker jernkatalysatorer og som er radikalt overlegent andre design, både når det gjelder maksimal effekt tetthet og strømtetthet (røde stjerner nedenfor), med en rekordhøy effekt tetthet på 0,75 W cm⁻² under 1,0 bar H₂‑luft.

Kilde: Research Gate

Dette katalysator‑designet er også mye mer holdbart enn den forrige iterasjonen av jernbaserte katalysatorer, og opprettholder 86 % effektivitet etter mer enn 300 timer i drift.

Kilde: Research Gate

Konklusjon

En hydrogenøkonomi vil kun være mulig når de økonomiske betraktningene er løst, med lettproduserbare katalysatorer som baserer seg på rikelige og billige materialer.

I den sammenhengen vil jern, som er ett av de mest produserte og billigste metallene på jorden, være en ideell kandidat.

Det betyr også at den relativt raske nedgangen i effektivitet over tid (som sannsynligvis fortsatt kan forbedres fra det første eksperimentelle designet) vil være mindre problematisk, og katalysator-delen av brenselcellen kan enkelt byttes ut med en ny regelmessig, med den brukte resirkulert eller regenerert til sin opprinnelige ytelse.

Investering i brenselcelleteknologi

Plug Power (PLUG ) er en leder innen grønn hydrogen, med fokus på brenselceller. Selskapet rapporterer over 72 000 brenselceller installert på mer enn 300 steder, med et stort fotavtrykk i materialhåndteringsflåter. Spesielt driver deres brenselceller over 40 000 gaffeltrucker, og inntektene har økt åttefold siden 2013.

Det er også aktivt i å bygge hydrogeninfrastruktur, som hydrogenproduksjon, logistikk, kraftproduksjon i stor skala og leveranser.

Kilde: Plug Power

Selskapet har som mål å skalere opp for å redusere kostnadene for hydrogenproduksjon fra $10/kg til $4/kg, samtidig som produksjonen multipliseres med 14 ganger i 2027. Det bør også erstatte alt eksternt innkjøpt hydrogen, som ofte ble videresolgt til kunder med tap.

På grunn av de massive investeringene for å øke produksjonskapasiteten 19‑fold siden 2020, er selskapet ennå ikke lønnsomt, men fremdriften i å skaffe eget hydrogen bør endre dette.

Selskapet ser sine løsninger enten som et direkte mobilitetsdrivstoff eller som et supplement til elbiler, ettersom hydrogen gjør det mulig å redusere belastningen på strømnettet under elbilers topp ladetid, som ikke samsvarer med produksjonsperiodene for fornybar energi i løpet av dagen.

Kilde: Plug Power

Som en stor produsent av brenselceller vil Plug Power ha stor nytte av et skifte mot en hydrogenbasert økonomi. En billigere brenselcellekatalysator kunne integreres i deres design, og øke adopsjonsraten for hydrogenkjøretøy og energilagring i nettstorskala.

Dette gjør derfor Plug Power til en god aksje å satse på i en generell vending mot hydrogen, med økende etterspørsel etter deres brenselceller hver gang en billigere metode for å produsere, lagre, transportere eller utnytte hydrogen blir oppfunnet.

Siste nyheter og utviklinger for Plug Power Inc (PLUG) aksjer

Studie referert

^{1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. et al. Syrereduksjon av oksygen ved enkeltatom Fe‑katalysatorer på buede støtter. Nature 644, 668–675 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}