Icke‑ädelmetallkatalysatorer banar väg för prisvärd vätgas

När världen övergår från fossila bränslen för att mildra den globala uppvärmningskrisen, får vätgas ökad uppmärksamhet som ‘framtidens bränsle’.

Det beror på flera faktorer, inklusive en riklig tillgång på vatten, högre energirendite, att endast vatten bildas som biprodukt, samt minimala eller inga växthusgasutsläpp (GHG). Dessa egenskaper gör ren vätgas användbar i ett brett spektrum av tillämpningar såsom transport, elproduktion, uppvärmning och industri, inklusive stål, kemikalier och cement.

Även om vätgas visar enorm potential för att avkarbonisera vårt samhälle, kommer den största delen av den H2 som produceras idag från fossila bränslen (metan) själva, vilket leder till betydande CO2‑utsläpp. Detta innebär att det behövs skalbara alternativ för att producera grön och ren vätgas.

Som ett resultat fokuserar pågående forskning på att hitta effektiva och miljövänliga sätt att producera vätgasbränsle.

HER: En lovande väg för grön vätgasproduktion

En av de lovande metoderna för att producera grön vätgas som har fått betydande uppmärksamhet är vattenelektrolys.

En nyckelreaktion som sker vid elektrolys av vatten för vätgasproduktion är väteutvecklingsreaktionen (HER), en grundläggande process inom elektrokemi.

Elektrolys av vatten innebär helt enkelt att använda elektricitet för att dela vatten i syre (O2) och vätgas (H2), vilket ger ett effektivt och rent sätt att producera vätgasbränsle i stor skala.

Tack vare dess låga ohmiska förluster (vilket är den potentiella energi som förloras som värme när elektriska laddningar flödar genom ett medium), höga strömtäthet och låga gasöverskridningshastighet, möjliggör förlängning av HER‑processen från laboratorien till kommersiell protonutbytesmembran (PEM) vattenelektrolys en hållbar väg till grön vätgas.

I PEM‑elektrolys produceras vätgas genom att dela vatten med hjälp av elektricitet och en fast polymerelektrolyt. I denna process appliceras först elektricitet för att separera vattenmolekyler till vätejoner (protoner), elektroner och syre. Protonerna rör sig sedan genom membranet, ett protonledande polymer som separerar anod och katod, medan elektronerna färdas genom en extern krets.

Vid anoden oxideras vattenmolekylen och producerar endast syre, protoner och elektroner. Vid katoden kombineras protoner och elektroner för att bilda vätgas.

Denna metod används för att producera vätgas för bränsleceller samt i olika industriella processer som gödselproduktion, petroleumraffinering och petrokemi.

Problemet uppstår dock med hårda arbetsförhållanden, såsom den starkt reduktiva sura elektrolyt‑katalysator‑gränssnittet. Denna miljö gör att kommersiella PEM‑elektrolysörer måste använda en platinkatod (Pt), som inte är riklig och därför är dyr, för att upprätthålla hög aktivitet.

De hårda förhållandena gör sådana katoder (baserade på icke‑ädelmetaller) olämpliga för protonutbytesmembran (PEM) elektrolys.

Den breda verkliga tillämpningen av PEM, som är på terawatt‑skala, kräver billiga katalysatorer för att ersätta ädelmetaller. Även om sökandet efter sådana icke‑ädelmetallbaserade katoder som är lämpliga för PEM‑kommersialisering pågår, är det fortfarande en utmaning.

Här har övergångsmetallfosfider (TMP) visat lovande som HER‑katalysatorer, men att använda dem för att ersätta ädelmetaller är fortfarande i sin linda. En huvudorsak är bristen på förståelse för tolerans under hårda arbetsförhållanden samt övervakning av aktiva platsrotationer under vätgasgenereringsprocessen.

Strategi för ytrekonstruktion producerar prisvärd vätgasbränsle

Nyligen har användningen av CoP‑nanopartiklar som katoder rapporterats kunna integreras enkelt i industriella PEM‑vattenelektrolysörer, vilket visar deras potentiella kommersiella tillämpningar.

Problemet är dock att skala upp HER‑reaktionen från ett laboratorieexperiment till storskalig kommersiell produktion samtidigt som kostnaderna hålls låga, vilket den senaste studien har uppnått.

Enligt resultat publicerade i Advanced Energy Materials¹ i april 2025 har ett forskarteam vid Tohoku University demonstrerat den utökade användningen av en CoP|F‑katod (F‑modifierad CoP) från laboratorisk skala (0.2 cm²) till en kommersiell PEM‑elektrolysör (38 cm²).

När de sökte efter överlägsen HER‑prestanda fann forskarna att ytrekonstruktionsvägen kan skapa långlivade katoder baserade på icke‑ädelmetall som förbättrar HER.

Dessa katoder kan upprätthålla sin prestanda i över 300 timmar. Dessutom kom den kostnad som teamet beräknade mycket nära 2026‑målet för H2‑produktion som satts av USA:s energidepartement, vilket är 2,00 $ per kg H2.

För att påskynda HER‑reaktionen, som av naturen är långsam och ineffektiv, vände sig teamet till TMP. Övergångsmetallfosfider är en kostnadseffektiv och hållbar icke‑ädelmetall. Det är en lovande katalysator med en unik elektronisk struktur och hög katalytisk aktivitet, vilket förbättrar HER:s effektivitet.

Med ädelmetaller som vanligtvis används för detta ändamål tror forskarna att det finns ett kunskapsgap kring icke‑ädelmetaller som måste fyllas.

En icke‑ädelmetallkatalysator avser ett alternativt material som är kostnadseffektivt och rikligt tillgängligt jämfört med ädelmetaller. Dessa icke‑ädelmetallkatalysatorer erbjuder justerbar reaktivitet, vilket innebär att de kan modifieras vid behov för att öka stabilitet, selektivitet och aktivitet i olika katalytiska processer.

Så förberedde teamet den F‑modifierade CoP och använde sedan operando röntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) och Raman‑mätningar för att bedöma dess olika egenskaper, såsom ytrekonstruktion och faktiska aktiva platser.

Resultaten bekräftade att tillsats av fluor till CoP1‑x‑gittret kan främja brytning av Co‑P‑bindningar, vilket resulterar i rekonstruktion av amorft metalliskt Co. Bildandet av fosfor (P)‑vakansplatser på ytan skapar fler aktiva platser, vilket påskyndar HER.

Den rekonstruerade ytan uppvisar hög aktivitet och tolerans i det reduktiva sura elektrolyt‑katalysator‑gränssnittet. Noterbart är att när den används som katod i en kommersiell PEM‑elektrolysör, är CoP|F‑katodens prestanda jämförbar med den avancerade Pt/C‑katalysatorn till en kostnad av endast 2,17 $ per kg H2‑1.

“Denna rekonstruerade Co är mycket aktiv, fungerar i sura förhållanden och kan upprätthålla cirka 76 W i över 300 timmar,” sade Heng Liu, assisterande professor vid Advanced Institute for Materials Research (WPI‑AIMR). “Vi närmar oss en prisvärd metod för att producera bränsle,” tillade han och påpekade att kostnaden bara är 17 cent över det nuvarande produktionsmålet för 2026.

Med dessa imponerande resultat hoppas forskarna kunna erbjuda en ytrekonstruktionsväg till mycket effektiva, kostnadsbesparande och hållbara icke‑ädelmetallbaserade katoder för kommersiella PEM‑elektrolysörer.

Viktigare är att uppsättningen inte bara testades på laboratorisk skala med tre elektroder utan faktiskt utökades till kommersiell skala. Och med denna rationella design för helt nya katoder, som kan fungera som grund för andra icke‑ädelmetallbaserade katoder, kan studien potentiellt överbrygga klyftan från laboratorium till fabrik.

“Vi tänker alltid på slutmålet, vilket är att forskningen ska nå vardagen. Detta framsteg tar oss ett steg närmare att designa mer realistiska alternativ för kommersiella PEM‑applikationer.”

– Liu

Framsteg inom ren vätgasproduktion

Med vätgas som framträder som en lovande ren och förnybar energikälla, är mycket fokus för närvarande på effektiv produktion av vätgas som kan möta kommersiell efterfrågan, med ett ökat intresse för eldriven vattensplittring.

Vattenelektrolys kan delas in i två reaktioner: väteutvecklingsreaktionen (HER), där vatten reduceras vid katoden för att producera vätgas, och syreutvecklingsreaktionen (OER), där vatten oxideras vid anoden för att producera O2. I båda fallen spelar katalys en stor roll, vilket skapar ett behov av mycket effektiva katalysatorer för att producera H2 och O2 effektivt.

Precis den här månaden, i ännu en forskning från AIMR, Tohoku University, föreslog forskarna ett nytt katalysatorramverk som erbjuder ett potentiellt tillvägagångssätt för billig vätgasproduktion via vattenelektrolys. Fokus här var dock på OER.

Materialet fokuserar på mesoporös (porösa material med porstorlekar i intervallet 2–50 nm) enkristallin Co3O4 (kobolt(II, III)oxid) dopad med atomärt spridd iridium (Ir), designad för sur OER.

Även om Ir är känt för sin OER‑prestanda är det sällsynt och dyrt. Dessutom är det en utmaning att använda iridium effektivt samtidigt som stabiliteten bibehålls vid teknikens uppskalning. Studien presenterar därför en lösning genom ett material som maximerar atomnivå‑effektiviteten.

Med en mesoporös spinelstruktur kunde katalysatorn ha hög Ir‑belastning (13,8 % vikt) utan att bilda stora iridiumkluster, vilket möjliggör bildning av Co‑Ir‑bryggplatser. Under sura OER‑förhållanden visade dessa platser hög inneboende aktivitet.

För att analysera detta kombinerade forskningen experimentella data med beräkningsmodellering, vilket tyder på att syreintermediärer (O*) helt täcker Co3O4‑ytor. Detta passiverar vanligtvis Co‑platser, men Ir‑doping återaktiverar platserna samtidigt som den förbättrar katalysatorns strukturella integritet.

Denna studie minskade Ir‑ och Co‑förlusterna till ungefär en fjärdedel respektive en femtedel. Dessutom behöll katalysatorn sin prestanda i mer än 100 timmar.

“Den mesoporösa arkitekturen spelar en avgörande roll. Den ger utrymme för enskild atom‑Ir‑belastning och hjälper till att skapa en stabil miljö för katalytisk aktivitet.”

– Study lead Professor Hao Li

Framtida arbete kommer att fokusera på att justera dopningsnivån, skala upp processen och sedan integrera den i kommersiella elektrolyssystem.

En annan studie som undersökte en ekonomisk iridiumkatalysator noterade att analysen visar att för att möta världens vätgaskrav för transport med Protonutbytesmembran‑vattenelektrolys (PEM‑WE) krävs iridiumbaserade anodmaterial att vara mindre än 0,05 mgIr/cm². De bästa katalysatorerna på marknaden idag, gjorda av iridiumoxid, innehåller dock cirka 40 gånger så mycket.

Det positiva är att lösningar på detta redan utvecklas. Heraeus Groups Kopernikus P2X‑projekt skapar en ny, effektiv iridiumbaserad nanokatalysator, som består av ett tunt lager iridiumoxid (IrO2) på ett nanoskaligt titandioxid (TiO₂)‑stöd.

P2X‑katalysatorn uppvisar anmärkningsvärd stabilitet även vid långvarig drift och presterar bättre än det mer kristallina referensmaterialet.

Förutom att arbeta med olika tekniker för att göra vätgasproduktion kostnadseffektiv, skalbar och miljövänlig, utforskar forskare världen över också sätt att lagra den effektivt, vilket hjälper ren vätgas att uppnå verklig adoption.

Tidigare i år demonstrerade ett team av forskare med stöd från USA:s energidepartement ett nytt sätt att lagra och frigöra flyktig vätgas. Detta tacklar en av de största utmaningarna med att använda vätgas som bränslekälla: de höga kostnaderna och ineffektiviteten vid lagring och transport på grund av dess låga densitet och explosiva natur.

Vad forskarna gjorde här var att utveckla en typ av ligninbaserad jetbränsle som kan binda vätgas kemiskt i en stabil flytande form. Denna teknik, enligt professor Bin Yang vid Washington State University, “kan möjliggöra effektiv, högdensitetslagring av vätgas i ett lätt hanterbart hållbart flygbränsle, vilket eliminerar behovet av trycksatta tankar för lagring och transport.”

Den nya processen använde kemiska reaktioner som genererade aromatiska kol och vätgas från det laboratorieutvecklade experimentella lignin‑jetbränslet. Lignin, som finns i växter, är en naturlig polymer och det näst mest förekommande materialet på jorden.

I nästa steg kommer forskarna att designa en AI‑driven katalysator för att förbättra reaktionerna, göra dem mer effektiva och kostnadseffektiva.

Innovativt företag

Cummins Inc (CMI )

Den globala leverantören av kraftlösningar, Cummins Inc., verkar genom olika segment, inklusive Motor, Komponenter, Distribution, Kraftsystem och Accelera.

Företaget utforskar och använder i stor utsträckning vätgasmotorteknik för att hjälpa till att bygga en hållbar framtid. Cummins gick först in i vätgasekonomin 2019 genom förvärvet av Hydrogenics, en tillverkare av vätgasbränsleceller och elektrolysörer. Sedan dess har de gjort kontinuerliga framsteg.

Detta inkluderar lanseringen av 15‑L vätgas‑ICE och 15‑L naturgasmotorer. Cummins portfölj omfattar även vätgasslagringslösningar och utveckling av bränslecellsteknik.

För ett par år sedan startade Accelera även verksamhet för elektrolysörproduktion i Minnesota, deras första amerikanska elektrolysörproduktionsanläggning.

“Storskalig elektrolys för att producera grön vätgas är en nyckelfaktor i avkarboniseringen av transport och industri.”

– Accelera‑president Amy Davis vid den tiden.

I mars 2025 blev Cummins samtidigt en grundande medlem av Hydrogen Engine Alliance of North America (H2EA‑NA), ett initiativ bildat av experter inom akademi, regering och transportindustrin för att främja vätgasinternt förbränningsmotorer (H2‑ICE) och deras tillämpning i marinmotorer samt på‑ och off‑road‑fordon och utrustning.

När det gäller företagets marknadsresultat har Cummins‑aktier upplevt en stark uppåtgående trend i över två decennier. Denna resa har präglats av dippar längs vägen, vilket har gett investerare en bra möjlighet att köpa. Den nästan 16 % nedgången i Cummins‑aktier hittills i år kan ses på samma sätt.

Vid skrivandet handlas CMI‑aktier till $294,16, vilket ger Cummins marknadsvärde till $40,38 miljarder. Med detta har de ett EPS (TTM) på 28,17, ett P/E‑tal (TTM) på 10,41 och ett ROE (TTM) på 41,27 %. Intressant nog erbjuder Cummins även en utdelningsavkastning på 2,48 %, vilket gör det till en potentiellt attraktiv investeringsmöjlighet.

När det gäller finanserna, var 2024 ett år som företaget kallade “transformerande” för att ha gjort “betydande framsteg i att driva vår Destination Zero‑strategi” och levererat “rekordresultat”, och omsättningen var oförändrad på $34,1 miljarder.

Detta berodde på att försäljningen i Nordamerika ökade med 1 % trots en minskad efterfrågan på tunga lastbilar, och internationella intäkter sjönk med 1 % jämfört med föregående år. En orsak var Atmus Filtration Technologies (ATMU ), som separerades från Cummins (CMI ) förra året för att bli ett helt självständigt företag. Dessutom genomgick Accelera en omorganisation, vilket resulterade i kostnader på grund av beslutet att effektivisera verksamheten och fokusera investeringar.

Cummins nettoresultat för hela 2024 var $3,9 miljarder, eller $28,37 per utspädd aktie, vilket ökade markant på grund av vinsten relaterad till Atmus‑separationen.

För detta år prognostiserar Cummins sin omsättning att ligga i intervallet -2 % till +3 % på grund av “något svagare” efterfrågan som förväntas i Nordamerika. Företaget har dock delat ett engagemang för sitt långsiktiga strategiska mål att återföra 50 % av rörelsekapitalet till aktieägarna.

År 2024 ökade Cummins faktiskt sin kontantutdelning på stamaktier för femtonte året i rad och återförde $969 miljoner till aktieägarna via utdelningar.

Andra utvecklingar som företaget gjort under det senaste året inkluderar introduktionen av Cummins HELM (Higher Efficiency, Lower Emissions and Multiple Fuels) motorplattform som implementerats i deras B-, X10- och X15‑seriemotorportföljer samt lanseringen av en ny motor enbart för den japanska biltillverkaren Isuzus nya serie med medelklasslastbilar.

Dessutom bildade Accelera, EVE Energy, Daimler Trucks & Buses och PACCAR (PCAR ) ett joint venture kallat Amplify Cell Technologies för att lokalisera battericellproduktion och batteriförsörjningskedjan i USA. Amplify har redan påbörjat byggandet av en 21 GWh‑fabrik, med målet att starta produktionen 2027.

Senaste om Cummins Inc.

Slutsats

Ett lovande alternativ till fossila bränslen är ren vätgas. Denna kritiska komponent i den globala avkarboniseringsstrategin erbjuder hög energitäthet, icke‑förorenande biprodukter och mångsidighet över olika sektorer, vilket gör det avgörande att utveckla kostnadseffektiva metoder för vätgasproduktion.

PEM‑elektrolys är ett sådant tillvägagångssätt som kan hjälpa till att driva världens energitransitionsinsatser framåt. Här ersätter forskare vid Tohoku University dyra platinkatalysatorer med ytkonstruerade icke‑ädelmetallalternativ, vilket markerar ett viktigt steg för att göra ren vätgas kommersiellt livskraftig.

Dess kostnadsfördelar som ligger nära USA:s DOE:s kostnadsmål, och uppskalning av CoP|F‑katoden i verkliga PEM‑elektrolysörer visar att vi potentiellt låser upp ren vätgas som en massmarknadslösning för globala energibehov!

Klicka här för att lära dig varför vätgas fortfarande kan vara framtidens bränsle.

Studier refererade:

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