Nye veier til mer effektiv hydrogenproduksjon oppdaget

Finne den rette hydrogenkatalysatoren

Hydrogen kunne i teorien være et perfekt drivstoff for å lagre energi og drive applikasjoner som er vanskelige å elektrifisere. Dette skyldes at det har noen nesten ideelle egenskaper:

• Biproduktet av forbrenningen er kun vann
  • Det samme kan sies når det brukes til å produsere elektrisitet i brenselceller.
• Den kan brenne ved svært høye temperaturer, noe som gjør den til et godt alternativ til naturgass i metallurgi, kjemiske prosesser osv.
• Den krever kun vann som ressurs for produksjonen.
• Hydrogen er i seg selv ikke‑giftig og ikke‑forurensende.

Imidlertid har veksten av en hydrogenbasert økonomi blitt hemmet av vanskeligheten med å produsere hydrogen på en kostnadseffektiv måte. Dette skyldes at mest grønt hydrogen (produsert fra grønn energi) lages gjennom elektrolyse, en prosess som foreløpig hovedsakelig er basert på dyre katalysatorer som platina, rutenium eller iridium, som alle er svært sjeldne og kostbare metaller.

Så lenge ingen bedre produksjonsmetode for hydrogen eksisterer, er det lite sannsynlig at vi vil se den erstatte fossilt brensel i stor skala.

Heldigvis endrer dette seg raskt. Vi har tidligere dekket noen av disse mulighetene, spesielt omdanne plastavfall til hydrogen, ved å bruke nanoroder av nikkel som en alternativ katalysator, eller ved å bruke titanium‑ og nikkelskrapmetaller (swarf) produsert under fremstilling av metallkomponenter. Noen nyere alternativer blir nå lagt til av forskere.

Den første er skapelsen av selvoptimaliserende katalysatorer¹ av forskere ved Johannes Gutenberg Universitet (Tyskland) og Teknisk Universitet i Darmstadt (Tyskland), Max Planck‑institutt for polymerforskning (Tyskland), Harbin Institute of Technology (Kina) og Shandong University (Kina). Den ble publisert i Angewandte Chemie under tittelen “Selvoptimaliserende kobolt‑tungstenoksid elektrokatalysatorer for forbedret oksygenutvikling i alkalisk medium.”

Den andre er oppfinnelsen av en metode for å omdanne avløpsslam til grønt hydrogen og dyrefôr² av forskere ved Nanyang Technological University (Singapore), Monash University (Australia) og University of Hong Kong (Kina). Den ble publisert i Nature Water under tittelen “Solardrevet avløpsslam elektroforming kombinert med biologisk kanalisering for å samprodusere grønn mat og hydrogen”.

Fikse hydrogenkatalysatorer

Et tilbakevendende problem med alle hydrogenproduserende katalysatorer er at de degraderes over tid. Dette kan skyldes at et avleiringslag dannes på de reaktive metallene, eller at selve metallaget sakte brytes ned og mister komponenter ved hver katalysesyklus.

Dette er spesielt problematisk for dyre katalysatorer fra platina‑metallgruppen, men det er også et problem for andre typer metallbaserte katalysatorer.

Så er det viktig at de tyske og kinesiske forskerne fra den første studien som er diskutert her, har observert selvoptimaliserende oppførsel med sine nye katalysatorer.

“Det som er så unikt med vår katalysator er at den faktisk forbedrer ytelsen over tid, mens konvensjonelle katalysatorer enten opprettholder ytelsen på et jevnt nivå eller til og med mister noe av ytelsen fordi de ikke er tilstrekkelig holdbare,”

Dr. Dandan Gao – forskningsleder ved Johannes Gutenberg Universitet Mainz

Kobolt‑tungsten katalyse

Løse flaskehalsen i hydrogenproduksjon

Forskerne fokuserte på såkalte 3d‑ til 5d‑overgangsmetalloksider, formulert som blandede metaller.

Disse er i stand til å utføre en kjemisk reaksjon kalt oksygenutviklingsreaksjon (OER), som er halvparten av reaksjonen som skjer under elektrolyse av vann til hydrogen, i begge de mest vanlige elektrolyttdesignene (AEM‑ og PEM‑elektrolysere).

Kilde: SpectroInlet

 “Det er to reaksjoner under spaltning av vann. Hydrogenutviklingsreaksjonen (HER), som produserer hydrogengass, og oksygenutviklingsreaksjonen (OER), som produserer oksygengass. OER representerer flaskehalsen for hele reaksjonen. Det er derfor vi er så engasjert i å utvikle en katalysator som kan fremme OER‑halvreaksjonen.”

Dr. Dandan Gao – forskningsleder ved Johannes Gutenberg Universitet Mainz

Imidlertid er disse nye potensielle katalysatorene fortsatt dårlig forstått, med lite kunnskap om hva som faktisk skjer på atomnivå under reaksjonen, eller selv hvilken elektro‑kjemisk form metallet tar.

Denne mangelen på forståelse er en stor hindring for å utvikle en kommersielt levedyktig løsning, da den også begrenser muligheten til å feste katalysatorene til et stabilt substrat.

Entrinns deponeringsmetode

Forskerne brukte et koboltoxid (L−CuO) mikroblomst‑substrat med en diameter på 3–5 µm, tidligere utviklet i deres laboratorium i 2020.

Deretter brukte de en kjemisk deponeringsmetode for å lage et lag av kobolt‑tungsten‑legering på overflaten av kobbersubstratet.

Kilde: Angewandte Chemie

Påfølgende analyser avdekket de komplekse mikroskopiske strukturer av materialet, ved bruk av røntgen‑fotoelektronspektroskopi (XPS), attenuert totalrefleksjon Fourier‑transform infrarød (ATR‑FTIR) spektroskopi, og Raman‑spektroskopi‑målinger.

Det bekreftet også at katalysatoren er svært solid festet til kobbersubstratet.

“Utviklingen av levedyktige og skalerbare deponeringsmetoder er av største teknologisk, økonomisk og økologisk betydning, da de muliggjør stabil forankring av OER‑prekatalysatorer på utvalgte lovende substrater med høy mekanisk integritet”

Kilde: Angewandte Chemie

Selvoptimaliserende katalysator

Fra disse ekstremt detaljerte observasjonene oppdaget forskerne at kobolt‑ionene skifter fra Co₂₊-formen til Co₃₊-formen. Samtidig beveger tungstent‑ionene seg fra W₅₊– til W₆₊-formene.

Som et resultat blir den elektro‑kjemisk aktive delen av katalysatoren over tid overført fra tungsten‑aktivt sted til kobolt‑aktivt sted.

Kilde: Angewandte Chemie

Katalysatoren endrer også overflates hydrofili, eller dens evne til å tiltrekke vann (drivstoffet for hydrogenproduksjon): over tid blir den mer hydrofil.

“Generelt registrerte vi merkbart reduserte overpotensialer og økte strøm‑tettheter ledsaget av en betydelig økning i OER‑kinetikk. Alt dette er gode nyheter for fremtidens hydrogenproduksjon.”

Dr. Dandan Gao – forskningsleder ved Johannes Gutenberg Universitet Mainz

Dette bør være et kraftig steg mot å gjøre overgangsmetall‑oksider til levedyktige katalysatorer for hydrogenproduksjon.

Ikke bare demonstrerer dette at forskerteamet har utviklet et levedyktig kobbersubstrat for katalysatoren, men også at slike katalysatorer kan være hyper‑stabile, og til og med forbedres over tid.

Det gir også det teoretiske rammeverket for å evaluere potensialet til andre overgangsmetall‑kombinasjoner som ennå ikke er like godt forstått som kobolt‑tungsten nå er.

Ingen behov for katalyse?

Håndtere byenes slam

Samtidig kan hydrogenproduksjon også begynne å komme fra de massive avfallsstrømmene som byene våre produserer. Dette er i det minste konseptet som forskere fra Singapore, Kina og Australia utforsker.

De fokuserte på avløpsslam, et giftig biprodukt av rensing av avløpsvann. Disse slamene er notorisk vanskelige å behandle og disponere på grunn av deres komplekse struktur, sammensetning og forurensninger som tungmetaller og patogener.

Mer enn 100 millioner tonn avløpsslam genereres globalt hvert år. Vanlige avhendingsmetoder – som forbrenning eller deponering – er tidkrevende, energikrevende og bidrar til miljøforurensning.

I stedet kan det bli en kilde til både dyrefôr og hydrogen samtidig.

Omforme slam til ressurser

Forskerne utviklet en 3‑trinns prosess for å behandle slammen.

Først bryter de mekanisk ned slammen til en væske. Deretter fjerner de tungmetallene fra det organiske materialet gjennom en kjemisk behandling.

Deretter bruker de en elektro‑kjemisk prosess for å omdanne de organiske materialene til verdifulle produkter: eddiksyre og hydrogengass, ved bruk av spesialiserte elektroder.

Til slutt mater de en kultur av bakterier som kan utnytte lys (cyanobakterier) for å omdanne det resterende organiske innholdet til enkeltcelleproteiner egnet som dyrefôr.

Både det andre og det tredje trinnet drives enten direkte (i tilfelle av bakteriene) eller indirekt med solcellepaneler (i tilfelle av den elektro‑kjemiske behandlingen) av sollys.

Dette gjør hele slam‑resirkuleringsprosessen helt karbonfri, og faktisk karbon‑negativ siden den unngår karbonutslipp fra den vanlige behandlingen av slam, og erstatter andre fossile‑baserte kilder til eddiksyre, hydrogen og dyrefôr.

Hydrogen kan brukes som en kilde til ren energi, og eddiksyre er en nøkkel‑ingrediens for mat‑ og farmasøytisk industri.

Kilde: Nature Water

Høy effektivitet

Denne metoden har blitt demonstrert å gjenvinne 91,4 % av det organiske karbonet i avløpsslam og konvertere 63 % av det organiske karbonet til enkeltcelleprotein.

Dette er mye høyere enn tradisjonell anaerob nedbrytning, som typisk gjenvinner og konverterer rundt 50 % av organisk materiale i avløpsslam.

Totalt reduserer dette karbonutslippene med 99,5 % og energiforbruket med 99,3 % sammenlignet med tradisjonelle metoder.

“Vi håper at vår foreslåtte metode viser levedyktigheten av å håndtere avfall på en bærekraftig måte og endrer hvordan avløpsslam oppfattes – fra avfall til en verdifull ressurs som støtter ren energi og bærekraftig matproduksjon.”

Dr Zhao Hu, forskningsstipendiat ved Nanyang Technological University

I tillegg til denne høye effektiviteten, renser den også slammen for tungmetaller, som vanligvis forurenser deponier i tradisjonelle metoder.

Denne nye metoden indikerer at en revolusjon i hvordan avløpsvann håndteres globalt er mulig, ved å fjerne tungmetaller (kanskje for senere resirkulering?) og produsere nyttig eddiksyre, hydrogen og dyrefôr på én gang.

Konklusjon

En hydrogenøkonomi vil sannsynligvis bli en med et komplekst nett av ulike hydrogenkilder.

Det mest sannsynlige er at avanserte katalysatorer utfører vann‑elektrolyse til hydrogen, uten å kreve dyre sjeldne metaller. Dette vil bringe kostnaden for hydrogen ned til et nivå som gjør det økonomisk levedyktig som konkurrent til fossilt brensel og andre grønne alternativer.

En annen sannsynlig kilde er å utnytte de massive millioner av tonn av avfallsprodukter fra jordbruk, avløpsvann og andre menneskelige aktiviteter. Siden disse uansett må behandles, er det langt bedre at vi begynner å bearbeide dem på en måte som fjerner forurensninger (som tungmetaller) og skaper nye nyttige produkter.

Og hvis dette gjøres ved kun å bruke solenergi, jo bedre.

Tungsten katalyse selskap

Tungsten fremstår stadig mer som ikke bare et superresistent metall, brukt i tungindustri og forsvarssektoren, men også som en kraftig katalysator nyttig for den kjemiske industrien og for å generere hydrogen.

Det kan til og med bli en kraftig høy‑temperatur superleder når det veves i riktig molekylær konfigurasjon.

Du kan lese en teknisk og investeringsmessig oversikt om denne ressursen i «Tungsten – Det hemmelige høy‑teknologimetallet».

Det er også et metall hvis forsyningskjede nesten utelukkende kontrolleres av Kina, med ett unntak, Almonty Industries (ALM ).

Almonty Industries

Almonty er en tungsten‑gruve som for tiden hovedsakelig produserer fra en gruve i Portugal, i drift de siste 125 årene.

Selskapet har jobbet med å utvide den portugisiske gruven og eier uutforskede forekomster i Spania.

Kilde: Almonty

Selskapets viktigste prosjekt er den pågående utviklingen av en ny gruve i Sangdong, Sør‑Korea. Gruven inneholder flere infererte ressurser enn alle de andre forekomstene til sammen.

Kilde: Almonty

Som en av de eneste aktive og produserende tungsten‑gruveene i vestlige land, er Almonty en strategisk viktig leverandør for forsvarsindustrien. Så, det er et viktig selskap for å redusere avhengigheten av kinesisk forsyning.

Sangdong‑gruvens beliggenhet gjør den til en perfekt leverandør til forsvarsindustrien, med Sør‑Korea, en ny gigant i masseproduksjon av “lav‑teknologisk” militært utstyr som tanker, artilleri og ammunisjon (sammenlignet med mindre tungsten‑krevende jagerfly, hangarskip osv.).

Mens Kina forbereder seg på å åpne en enorm tungsten‑gruve i Kasakhstan, er Almonty klar til å “substantielt endre politikken knyttet til sikring av tungsten” når Almonty Korea Tungsten Project‑gruven i Sangdong tas i drift om noen måneder. Når den begynner produksjon, vil den være en av verdens største tungsten‑gruver, og stå for 30 % av den ikke‑kinesiske forsyningen.

Lewis Black, direktør, president og administrerende direktør i Almonty Industries

Almonty bør begynne å produsere tungsten fra den koreanske gruven tidlig til midten av 2025.

På grunn av sin strategiske posisjon som i praksis den eneste store leverandøren i vest, ble Almonty tilbudt en garantert pris av Plansee. Plansee er en høy‑ytelses metallprodusent og en av Almontys større kunder, samt eier av 15 % av selskapet.

Den minimale garanterte prisen var $235/MTU (metrisk tonnenhet), uten øvre grense. Ettersom Sangdong‑gruven sikter mot kontantkostnader på $110/mtu, bør dette i praksis sikre en høy fortjenestemargin for prosjektet.

Med en heldig, nesten perfekt timing mellom den kommende åpningen av Sangdong og en ny handelskrig mellom Trumps Amerika og Kina, har aksjekursen reagert sterkt og steget med 40 % på bare 2 dager etter kunngjøringen om tungsten‑eksportrestriksjoner fra Kina.

Etter hvert som tungsten blir stadig viktigere for høy‑teknologiske applikasjoner, samt geopolitisk spenning, vil sikring av ikke‑kinesisk tungsten‑forsyning sannsynligvis generere en stabil premie, med Almonty som en av de sterkeste fordelene.

Studierreferanse:

^{1. Christean Nickel et al. (2025) Selvoptimaliserende kobolt‑tungstenoksid elektrokatalysatorer for forbedret oksygenutvikling i alkalisk medium. Angewandte Chemie. 05 februar 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202424074} 

 ^{2. Hu Zhao, et al. (2024) Solardrevet avløpsslam elektroforming kombinert med biologisk kanalisering for å samprodusere grønn mat og hydrogen. Nature Water. Volume 2, pages1102–1115. https://doi.org/10.1038/s44221-024-00329-z}