Platinfri hydrogenkatalysator: Et sprang fremover i ren energiteknologi

En ren energiovergang skjer over hele verden ettersom den forverrede klimakrisen skaper et presserende behov for å avkarbonisere energisystemene. 

I motsetning til fossile brensler som kull og olje, slipper ikke rene energikilder ut store mengder klimagasser (GHG) som metan, CO2, lystgass eller andre forurensninger under produksjonen, noe som bidrar til et sunnere miljø.

Interessant nok kan ren energi komme fra fornybare kilder som solen, som er kontinuerlig fornyet og tilgjengelig over hele planeten, samt fra ikke‑fornybare kilder som kjernekraft, som bruker begrensede ressurser (uranium).

Sammenlignet med deres fossile motparter har rene energikilder også lavere vedlikeholds- og driftskostnader, noe som gir mer stabile priser for forbrukerne.

Dermed vokser renenergibransjen raskt, med investeringer i cleantech‑teknologier som reduserer miljøpåvirkningen og fremmer bærekraft, og nådde en rekord på 71 milliarder dollar i Q3 2024, ifølge Deloitte. 

Nå, når det gjelder rene energikilder, er her de mest fremtredende:

1. Sol – Solens stråling utnyttes her ved hjelp av teknologier som fotovoltaiske (PV) paneler som konverterer sollys direkte til elektrisitet. I 2024 økte den globale solkapasiteten betydelig, med en bemerkelsesverdig tilvekst på 593 GW sol‑PV‑kapasitet. 
2. Vind – Vindens kinetiske energi omdannes til elektrisitet av turbiner. Avhengig av turbinenes plassering kan den være av to typer: landbasert vindkraft, hvor vindparker er lokalisert på land, og havvind, hvor vindparker er lokalisert til havs.
3. Vann – Den kinetiske energien fra flytende vann brukes til å generere elektrisitet, hovedsakelig gjennom dammer og turbiner. Vannkraft bidrar med omtrent 15% av total elektrisitetsproduksjon. 
4. Geotermisk – Denne energitypen utnyttes gjennom jordens indre varme og oppnås via geotermiske kraftverk som ligger i underjordiske reservoarer.  
5. Biomasse – Her utnyttes organisk materiale som avlingavfall og skogrestavfall. 
6. Kjerneenergi – Det er energien fra et atom med kraft hentet fra kjernefisjon og fusjon. Ifølge Deloittes undersøkelse av kraft og verktøy vil avanserte kjernekraftteknologier spille den viktigste rollen i å møte den økende kraftetterspørselen i de kommende årene.
7. Hydrogen – Hydrogen produseres fra ulike ressurser, og når den brukes i en brenselcelle, produserer den kun vann. USAs energidepartement (DOE) har avsatt 7 milliarder dollar til å utvikle hydrogenknutepunkter.

Hydrogen som en kraftig ren drivstoff

Det aller første elementet i det periodiske systemet, hydrogen (H), er et fargeløst, luktløst, smakløst, svært brennbart og ikke‑giftig gassstoff. Det er også det enkleste, letteste og mest forekommende elementet.

Men det som gjør det ekstremt attraktivt er at når det brennes, produserer hydrogen kun vanndamp. Når det produseres ved hjelp av fornybar energi, kan grønn hydrogen spesielt bidra til å avkarbonisere sektorer som transport og kraftproduksjon.

Midt i samfunnets økende energibehov tilbyr hydrogen en svært effektiv ren energikilde som potensielt kan produseres fra ulike kilder. Det er faktisk en energibærer som kan brukes til å transportere, lagre og levere energi produsert fra andre kilder.

Nå er de mest vanlige måtene å produsere hydrogen på:

1. Termisk prosess – Produsert ved en høytemperaturprosess kalt dampreforming, genereres hydrogen når damp reagerer med hydrokarbonbrensler som naturgass, diesel, gassifisert kull, gassifisert biomasse og fornybare flytende drivstoff.
2. Elektrolyseprosessen – Vann (H2O) separeres til oksygen og hydrogen ved hjelp av en elektrisk strøm. Prosessen foregår i en elektrolyser, hvor elektrisitet passerer gjennom vannet og får molekylene til å splitte seg.
3. Sol‑drevet prosess – Lys brukes til å produsere hydrogen og inkluderer ulike tilnærminger, som fotobiologisk, fotoelektrokjemisk og soltermokjemisk. 
4. Biologisk prosess – Hydrogen produseres gjennom biologiske reaksjoner ved bruk av mikrober som bakterier og mikroalger.

Hydrogen har et svært høyt potensial til å møte samfunnets behov for ren energi, men problemet er at det fortsatt finnes utfordringer som må overvinnes. Disse utfordringene inkluderer masseproduksjon, transport og lagring. I tillegg må hydrogenproduksjonen være stabil og rimelig.

Hydrogenutviklingsreaksjonen (HER) anses som den mest miljøvennlige og bærekraftige metoden for hydrogenproduksjon. Det er en katodisk reaksjon som involverer elektrolyse av vann.

I denne elektrokjemiske prosessen med vannsplitting brukes blant annet platina, nikkel og andre overgangsmetaller som katalysatorer som reduserer protoner til hydrogengass.

Problemet her oppstår med metallet som oftest brukes som katalysator, platina, som selv om den gir svært effektiv katalytisk ytelse, lider av sjeldenhet og kostnad. Derfor er det økende fokus på alternative katalysatorer for å minimere forbruket av edle metaller.

Platinas rolle i å gjøre hydrogen rent

Et skinnende, sølvhvitt metall som noen ganger blir forvekslet med sølv, er platina (Pt) nøkkelen til å oppnå målet om netto null utslipp. Dette tette, formbare og glansfulle metallet er svært ureaktivt og motstandsdyktig mot korrosjon, selv ved høye temperaturer.

Imidlertid er det et ekstremt sjeldent metall, over 30 ganger sjeldnere enn gull, med en konsentrasjon på kun 0,005 ppm i jordskorpen. Som et knapp metall er platina vanskelig og kostbar å utvinne, noe som medfører et dyrere sluttprodukt.

Metallet utvinnes hovedsakelig i Sør‑Afrika, som står for over 70 % av den globale platinaforsyningen, samt i Russland, Zimbabwe, Canada og USA.

Når det gjelder bruksområder, brukes platina til smykker, men viktigst av alt brukes den i elektroniske komponenter og katalysatorer for å redusere transportutslipp. I 2022 ble omtrent 85 tonn av metallet brukt kun til katalysatorer. Det fremstår også som et kritisk mineral i den globale energiovergangen. 

Metallet er spesielt uvurderlig i elektrolysere, som finnes i ulike typer, men utviklere av hydrogenprosjekter foretrekker protonutvekslingsmembran (PEM) elektrolyse. Som et mer effektivt alternativ til alkalisk elektrolyse, bruker PEM‑elektrolysere platina for å lage ekstremt høyytelses‑katalysatorer. 

Platina brukes også i PEM‑brenselceller, som fungerer som PEM‑elektrolysere, men i motsatt retning. I stedet for å skille hydrogen og oksygen, kombinerer den dem ved hjelp av platina som katalysator.

Hydrogen‑brenselceller består av to elektroder – en anode (negativ elektrode) og en katode (positiv elektrode) med en elektrolytt som skiller de to. En katalysator, som er et lag av metall som platina, ved anoden splitter hydrogenmolekyler til protoner og elektroner, som beveger seg mot katoden for å skape en elektrisk strøm.

Den utmerkede ledningsevnen og kjemiske stabiliteten til platina er det som gjør den så effektiv som katalysator. Dens effektivitet er nøkkelen til å oppnå høye energikonverteringsrater i brenselceller, slik at de kan konkurrere med tradisjonelle energikilder. 

Ettersom behovet for avkarbonisering fortsetter å øke, forventes etterspørselen etter platina å stige takket være platina‑baserte PEM‑teknologier som har potensial til å oppnå 11 % reduksjon av globale CO₂‑utslipp.

Dermed er det økende fokus på dette metallet over hele verden. I USA inkluderer Inflation Reduction Act en skattefordel for lavkarbonhydrogen med mål om å akselerere produksjon av ren hydrogen og adopsjon av brenselcelle‑EV. REPowerEU fra EU‑kommisjonen har på sin side som mål å doble kapasiteten for ren hydrogen til 80 GW innen 2030.

Dette globale presset, ifølge World Platinum Investment Council, kan gjøre produksjon av ren hydrogen til den største kilden (35 %) på platinaetterspørsel innen 2040.

I tillegg til de ubalanserte etterspørsels‑ og tilbudsdynamikkene, medfører bruken av edle metaller som platina ytterligere utfordringer, som høye kostnader, potensiell degradering og miljøbekymringer. Som et resultat har forskere kontinuerlig arbeidet med å fjerne platina som hydrogenkatalysator og finne bedre alternativer.

Klikk her for å lære alt om investering i platina.

Lage platina‑frie katalysatorer

I jakten på platina‑fri hydrogen utfører forskere fra UNSW Sydney en studie for å takle problemene knyttet til bruk av det edle metallet i hydrogenbrenselceller. 

Forskerne utviklet en ny teknikk for å forstå hvorfor noen katalysatormaterialer har mindre stabilitet enn Pt, noe som vil hjelpe andre forskere med å utvikle nye materialer og forbedre fremtidsperspektivene for platina‑frie katalysatorer i hydrogenbrenselceller.

De utviklede teknikkene avdekket at opptil 75 % av de jernbaserte aktive stedene i brenselcellen ble inaktive i løpet av de første 10 timene av drift. Dette skyldtes i stor grad tap av jern‑aktive steder, med karbonkorrosjon som en annen årsak. 

I en separat studie¹ oppdaget forskere fra University of Wisconsin‑Madison, Cornell University og Wuhan University en ny måte å katalysere reaksjonen på for å lage hydrogenbrenselceller.

Forskerne brukte billig, ikke‑edelmetall nikkel til både katode‑ og anodeelektrodene i brenselcellen. Den nikkelbaserte elektrokatalysatoren ble designet med et 2‑nanometers skall laget av nitrogen‑dopet karbon.

Innføring av enkelt‑nikkelatomer i en grafen‑lignende skjold laget av karbon‑ og nitrogenatomer gjorde dem motstandsdyktige mot oksidasjon og bundet hydrogenatomer med den ideelle styrken som kreves for en effektiv hydrogen‑oksidasjonsreaksjon (HOR).

Dermed, med en anodekatalysator bestående av en solid nikkel‑kjerne innkapslet i et karbon‑skall og en katode av kobolt‑mangan, skapte forskerne en hydrogenbrenselcelle uten noen edle metaller med en ytelse på over 200 mW/cm².

Tilbake i 2020 fant forskere ved DOE‑s Argonne National Laboratory og utviklet den mest lovende platina‑frie katalysatoren for hydrogenbrenselceller som baserer seg på oksygenreduksjonsreaksjonen (ORR). Den var basert på jern, nitrogen og karbon, som ble blandet og varmet mellom 900 og 1100 °C i pyrolyse.

Deretter ble materialets jernatomer bundet med nitrogenatomer og innlemmet i grafen. Her utgjør hvert jernatom et sted hvor ORR kan forekomme, og gjør dermed elektroden mer effektiv.

Midt i den økte interessen for å redusere avhengigheten av dyr platina og forbedre effektiviteten og kostnadseffektiviteten til hydrogenbrenselceller og elektrolyse, har forskere nå utviklet en palladium‑basert nanosheet‑katalysator hvis ytelse er på nivå med platina i hydrogenproduksjon.

Palladium som et alternativ til platina for rimelig hydrogen

Den siste studien kom fra forskere ved Tokyo University of Science (TUS) som har utviklet en ny hydrogenutviklingskatalysator, bis(diimino)palladium‑koordinasjons‑nanosheets (PdDI).

Palladium er et skinnende, sølvhvitt metall og et av de mest forekommende platina‑gruppen metallene med en tetthet langt lavere enn platina.

Bruken av palladium, som gir platina‑lignende effektivitet til en brøkdel av kostnaden, baner vei for rimelig og bærekraftig hydrogenproduksjon for å akselerere den rene energirevolusjonen. 

Ledet av professor Hiroshi Nishihara og Dr. Hiroaki Maeda fra TUS i samarbeid med forskere fra andre institusjoner, markerer studien et gjennombrudd innen hydrogenutviklingsreaksjon (HER)‑teknologien.

HER‑katalysatorelektrodene legger til rette for omdannelsen av H, som produseres på elektrodeoverflaten under vannsplitting, til hydrogengass (H2). For å overvinne begrensningene til Pt som hindrer stor‑skala bruk som HER‑katalysator, tilbyr teamet et svært effektivt alternativ til platina‑katalysatorer ved hjelp av en enkel synteseprosess.

Teamet laget palladium‑baserte nanosheets som har evnen til å oppnå høy katalytisk aktivitet med redusert bruk av edle metaller, noe som betydelig senker kostnadene for H2‑produksjon.

Som Dr. Maeda bemerket: «Å utvikle effektive HER‑elektrokatalysatorer er nøkkelen til bærekraftig H2‑produksjon» og «Bis(diimino)metal‑koordinasjons‑nanosheets, med sin høye ledningsevne, store overflateareal og effektiv elektronoverføring, er lovende kandidater.» I tillegg til disse egenskapene reduserer den spredte metallstrukturen i nanosheets materialforbruket.

PdDI‑nanosheets, dvs. E‑PdDI og C‑PdDI, ble utviklet med suksess ved bruk av to ulike metoder:

1. Elektrokjemisk oksidasjon
2. Gass‑væske‑grensesnittsyntese

Når de er aktivert, viste E‑PdDI‑arkene en lav overpotensial på 34 mV, noe som betyr at lite ekstra energi kreves for hydrogenproduksjon. Den matcher ikke bare overpotensialet til platina, som er 35 mV, men også den edle metallens katalytiske ytelse med en utvekslingsstrøm‑tetthet på 2,1 mA/cm².

Den «bemerkelsesverdige ytelsen» overgår ikke bare Pd‑metall‑elektroder, men også konvensjonelle MDI‑(M=Ni, Co, Cu) nanosheets, bemerket studien, og legger til at denne eksepsjonelle ytelsen ble oppnådd til tross for bruk av svært små mengder edle metaller.

Med disse resultatene presenterer E‑PdDI de mest effektive HER‑katalysatorene som er utviklet til dags dato, og gjør den til et lovende lavkostnadsalternativ til platina.

Når det gjelder langsiktig stabilitet, som er en av de kritiske aspektene ved enhver katalysator, viste PdDI‑nanosheets også fremragende holdbarhet. De forble intakte etter 12 timer i sure forhold, noe som bekrefter deres anvendelighet i virkelige hydrogenproduksjonssystemer.

“Vår forskning bringer oss ett skritt nærmere å gjøre H2‑produksjon mer rimelig og bærekraftig, et avgjørende steg for å oppnå en ren energifremtid.”

– Dr. Maeda

Ved å redusere avhengigheten av knapp og kostbar platina, er bis(diimino)palladium‑koordinasjons‑nanosheets (PdDI) også i tråd med FNs bærekraftsmål (SDG), som fremmer rimelig og ren energi samt innovasjon og infrastruktur. 

Merkbart er at studien ikke er begrenset til laboratorieeksperimenter. Kostnadseffektiviteten, skalerbarheten og den forbedrede aktiviteten til PdDI‑nanosheets gjør dem svært nyttige i storskalige energilagringssystemer, hydrogenbrenselceller og industriell hydrogenproduksjon.

Videre kan PdDI redusere gruve‑relaterte utslipp knyttet til platina‑baserte katalysatorer, og akselerere overgangen til en bærekraftig hydrogenøkonomi. Neste steg for TUS‑teamet er å optimalisere PdDI‑nanosheets for bruk i den virkelige verden.

Klikk her for å lære alt om investering i palladium

Investerbare innovative selskaper 

La oss nå se på et fremtredende navn i feltet som hjelper med å fremme ren energiteknologi, inkludert utviklingen av platina‑frie hydrogenkatalysatorer.

Plug Power Inc.

Selskapet med en markedsverdi på 1,54 milliarder dollar spesialiserer seg på hydrogen‑brenselcellet systemer og har forsket på ikke‑platina‑katalysatorer for å redusere kostnader og forbedre effektiviteten.

På tidspunktet for skrivingen handles PLUG-aksjer til $1,71, ned 21,6 % år‑til‑dato. Dens EPS (TTM) er -2,54, og P/E (TTM) er -0,65.

For Q4 2024 rapporterte Plug Power (PLUG ) $191,5 millioner i inntekter og et bruttoresultattap på 122 %, mens driftskontantstrømmen forbedret seg med 46 % år‑over‑år. Den avsluttet året med over $200 millioner i ubegrenset kontanter. Selskapet avsluttet nylig et DOE‑lånegodkjenningsprogram på $1,66 milliarder.

I løpet av denne perioden fortsatte Plug Powers elektrolysevirksomhet å vokse, og hydrogenvirksomheten styrket seg.

“2024 var et år med sterk gjennomføring og meningsfull strategisk fremgang for Plug mens vi fremmet våre initiativer og gjorde fremskritt i å drive hydrogenøkonomien fremover.”

– CEO Andy Marsh

Siste nytt om Plug Power

Konklusjon

Med verdens befolkning som vokser raskt, og som forventes å nå omtrent 10,3 milliarder innen midten av 2080‑årene, vil problemet med klimagassutslipp bli enda mer alvorlig. Dette skaper et behov for å redusere vår avhengighet av fossile energikilder og adoptere energikilder som er rene, tryggere, rikelige og miljøvennlige.

Her har hydrogenenergi fremstått som en nøkkeldriver for en ren og bærekraftig fremtid, og tilbyr et null‑utslippsalternativ til fossile brensler. Selv om den er lovende, er storskalaproduksjon av hydrogen sterkt avhengig av dyre platina‑baserte katalysatorer, noe som gjør kostnad en stor utfordring for industrien.

Ved å erstatte det edle Pt‑metallet med PdDI‑nanosheets, har den siste studien oppnådd et gjennombrudd i kostnadseffektiv produksjon av elektroder og skapt gode resultater i elektrodforsyningsindustrien, hydrogenproduksjon og bilindustrien.

Klikk her for en liste over topp‑aksjer innen ren energi med miljøfokus. 

Studier referert:

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). En helt edelmetall‑fri alkalisk brenselcelle med forbedret ytelse ved bruk av en karbon‑behandlet 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). Syntese av Bis(diimino)palladium‑nanosheets som svært aktive elektrokatalysatorer for hydrogenutvikling. Chemistry – A European Journal. https://doi.org/10.1002/chem.202403082