Frigöra effektiv vätgasproduktion för ren energi

Den kontinuerliga tillväxten av världens befolkning och ekonomi har lett till en betydande ökning av energiefterfrågan, varav cirka 80 % möts av fossila bränslen. Dessa resurser minskar inte bara dramatiskt utan är också ansvariga för en avsevärd ökning av växthusgaser (GHG) i miljön.

Som ett resultat finns det nu ett växande fokus på förnybara energikällor, såsom solen, vind, vatten, organiskt material och jordens värme.

Förnybara energikällor, som härrör från naturliga resurser som återuppfylls själva, är viktiga för rena och hållbara energisystem. De står dock inför många utmaningar, inklusive oregelbunden tillgänglighet, höga initiala kostnader, geografiska begränsningar och omfattande platsbehov.

Det är här väte kommer in i bilden. Den globala efterfrågan på väte steg till 97 miljoner ton (Mt) år 2023, upp 2,5 % från föregående år. 

Vätets roll i övergången till ren energi

Det lättaste elementet i universum, väte, har framträtt som en lovande lösning för att uppnå ett mer hållbart energiekosystem tack vare sin flexibilitet och förmåga att lagra en betydande mängd energi i förhållande till sin vikt.

Det är inte en primär källa som solen utan en sekundär, eftersom det måste produceras från andra råmaterial såsom vatten, naturgas eller biomassa.

När det produceras med fossila bränslen såsom naturgas (vilket för närvarande är den vanligaste metoden) är väte inte ren energi, eftersom det bidrar till betydande årliga CO2-utsläpp.

När det däremot används i en bränslecell producerar väte endast vattenånga som biprodukt, vilket gör det till ett rent bränsle.

Som en mångsidig energibärare kan väte hjälpa till att lösa flera kritiska energiproblem. Det kan stödja integrationen av förnybar energi i elsystemet genom att lagra energi i veckor eller till och med månader.

Lågutsläpps‑väte som produceras med kärn‑ eller förnybar energi, eller fossila bränslen med koldioxidavskiljning, kan samtidigt hjälpa till att avkarbonisera en rad sektorer. Tung industri och långdistans‑transport, där minskning av utsläpp är särskilt utmanande, kan dra stor nytta av det. Denna vätgasproduktion spelar dock fortfarande en marginell roll, under 1 % år 2023.

Väte kan faktiskt framställas med olika tekniker. En av de mest effektiva metoderna för att producera hållbart väte är genom vattenelektrolys. I denna energikrävande elektrolys används elektricitet för att dela vatten i väte och syre. Tekniken är väl utvecklad och kommersiellt tillgänglig, även om dess uppskattade energieffektivitet är omkring 52 %.

En annan metod är plasmolys, som har visat en energiyield på samma nivå som elektrolys, med den extra fördelen av minskad energiförbrukning, lägre huvudkostnad och mindre utrustningsstorlek. Nya framsteg inom mikrofluidik och mikroplasma har gjort vätgasproduktion genom vattenånga‑plasmolys lönsam ur ett energieffektivitets­perspektiv.

Andra sätt att framställa väte för elproduktion inkluderar fotokatalys, biovätgas och termokemiska processer.

Svep för att rulla →

Även om vätetekniken är lovande, står dess breda användning fortfarande inför svårigheter när det gäller produktionskostnad, effektivitet och övergripande miljömässig hållbarhet. Med tanke på behovet av renare energikällor söker forskare världen över ständigt efter att lösa dessa problem med nya material och bättre teknik.

Katalysatorinnovationer som driver väteseffektivitet

När väteteknologier utvecklas från koncept till kommersialisering är en av de viktigaste utmaningarna materialen som gör dessa system effektiva och skalbara. För att tackla detta arbetar forskare med olika tillvägagångssätt.

Till exempel presenterade en studie från Kinesiska vetenskapsakademiens huvudkontor, publicerad den här månaden i Nature, en liten järnkatalysator som ett alternativ till platina i protonutbytesmembranbränsleceller (PEMFC), med potential att förändra framtiden för ren energi.

PEMFC är rena energienheter som producerar elektricitet från väte och syre, där vatten är den enda biprodukten. Men de är starkt beroende av sällsynt och dyrt platina som katalysator. Så för att underlätta deras breda antagande har forskarna utvecklat en högpresterande järnbaserad katalysator för dessa bränsleceller.

Med sin smarta design “inre aktivering, yttre skydd” kan den nya katalysatorn uppnå utmärkt prestanda samtidigt som skadliga biprodukter minskas.

Medan Fe/N–C‑katalysatorer är bland de mest lovande alternativen till katalysatorer av platina‑gruppmetaller, kan deras aktivitet och hållbarhet inte uppfylla prestandakriterierna. Så designade och utvecklade teamet en ny typ av Fe/N–C‑katalysator bestående av många nanoprotrusioner fördelade på 2D‑kolskikt med enskilda Fe‑atomplatser inbäddade i den inre krökta ytan av nanoprotrusionerna.

Som ett resultat kunde den nya katalysatorn leverera “en av de bäst presterande” platina‑gruppmetallfria PEMFC-prestationerna, med 86 % aktivitetsbehållning även efter mer än 300 timmars kontinuerlig drift.

En annan nyckelteknik för att producera väte på ett klimatneutralt sätt genom vattenelektrolys är Protonutbytesmembranvattenelektrolys (PEM‑WE).

För att påskynda den önskade reaktionen beläggs elektroder med speciella elektrokatalysatorer. För anoden används ofta iridiumbaserade katalysatorer, särskilt för den sura syreutvecklingsreaktionen (OER).

OER är det syreproducerande steget i vattenuppdelningsprocessen som genererar ren väteenergi, men den är fortfarande utmanande och ineffektiv. Denna reaktion är mest effektiv när iridiumbaserade katalysatorer används.

Upptäckt 1803 förekommer iridium inte i ren form i naturen utan återvinns kommersiellt som en biprodukt från produktion av platina, palladium, nickel eller koppar. 

Iridium är ett tätt, hårt metall som förblir opåverkad av luft, vatten och syror. På grund av dessa egenskaper används det i tändstift, vetenskaplig utrustning, katalysatorer, ledande bläck för elektronik och cancerbehandling.

Metallen används sällan i ren form på grund av svårigheter i framställning och bearbetning; snarare används den i form av platinalegeringar.

Iridium (Ir) är dock en högvärdesmetall och ett av de mest sällsynta naturligt förekommande elementen i jordens skorpa. Iridiumhaltiga malmer finns i Sydafrika, USA (Alaska), Brasilien, Ryssland, Myanmar och Australien.

Dess brist, kombinerat med den höga efterfrågan från industrier som elektronik, gör den mycket dyr. Iridium är faktiskt mer värdefullt än guld och kostar nästan 5 000 USD per uns.

Så det är logiskt att forskare ständigt letar efter nya metaller för att ersätta iridium för att underlätta den storskaliga antagandet av PEMWEs. Upptäckten av icke‑Ir‑alternativ är dock inte enkel och förblir långsam på grund av det enorma designutrymmet.

För några månader sedan presenterade en studie från Advanced Institute for Materials Research (AIMR) vid Tohoku University en ny porös kristallkatalysator som en effektiv och hållbar lösning för ren vätgasproduktion genom vattenelektrolys. 

Materialet i denna studie är mesoporös enkristallin Co3O4 dopad med atomärt spridd iridium för den sura OER.

Den mesoporösa spinelstrukturen spelar en nyckelroll, eftersom den möjliggör hög Ir‑belastning (13,8 % vikt) utan bildning av stora iridiumkluster. Förutom att ge utrymme för Ir‑belastning bidrar arkitekturen också till att skapa en stabil miljö.

Katalysatorn behöll sin prestanda i mer än 100 timmar med endast 248 mV överpotential (η₁₀).

I en annan nylig studie har forskare skapat ett “megalibrary” för att utforska den katalytiska aktiviteten hos miljontals distinkta nanostrukturer bestående av några nyckelmetaller, vilket hjälper till att söka efter alternativ till Ir‑katalysatorer för OER i skala och hastighet.

Klicka här för att lära dig hur icke‑ädelmetallkatalysatorer banar vägen för prisvärd väte.

Snabb katalysatorupptäckt med nanoteknologi

Den senaste studien har faktiskt hittat en ny katalysator för vätgasproduktion som är både kostnads- och energieffektiv.

Publicerad den här månaden i Journal of the American Chemical Society (JACS) gjordes upptäckten av katalysatorn med hjälp av ett nytt nanopartikel‑megalibrary, och den matchar eller överträffar iridiums prestanda i vätgasproduktion, till en bråkdel av kostnaden.

Under en lång tid har forskare letat efter alternativ till iridium. Men det som tog årtionden har nu upptäckts under en enda eftermiddag med det kraftfulla nya verktyg som utvecklats av forskare från Northwestern University.

Det nyuppfunna verktyget kallas ett megalibrary, som är världens första nanomaterial‑”datatillverkning”. Varje av dessa bibliotek innehåller miljontals distinkta nanopartiklar på ett litet chip.

Tekniken användes sedan, i samarbete med forskare från Toyota Research Institute (TRI), för att hitta kommersiellt relevanta katalysatorer för vätgasproduktion. Materialet skalerades därefter upp och visade sig fungera i en enhet. Allt detta gjordes på rekordtid.

För att upptäcka nya katalysatorer använde forskarna fyra billiga, rikligt förekommande metaller, som alla är kända för sin katalytiska prestanda. Dessa metaller är:

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

Megalibraryn användes sedan för att snabbt screena enorma kombinationer av dessa metaller för att hitta ett nytt material vars prestanda kan matcha iridiums.

Teamet fann ett sådant nytt material som var jämförbart med kommersiella iridiumbaserade material i laboratorieprestanda. I vissa fall överträffade prestandan dem till en bråkdel av kostnaden.

Denna upptäckt kan potentiellt göra grön väte prisvärd.

Dessutom visar det nya materialet effektiviteten i megalibrary‑metoden, vilket kan förändra hur forskare upptäcker nya material för olika tillämpningar.

Enligt den seniora studiens författare Chad A. Mirkin, som är huvuduppfinnaren av megalibrary‑plattformen och den som faktiskt introducerade megalibraries för ungefär ett decennium sedan 2016:

“Vi har släppt lös vad som sannolikt är världens mest kraftfulla syntesverktyg, vilket gör det möjligt att söka igenom det enorma antalet kombinationer som är tillgängliga för kemister och materialforskare för att hitta material som betyder något.”

I megalibrary‑projektet kanaliserade teamet den kapaciteten mot ett stort problem som energisektorn står inför. Problemet, som nanoteknologipionjären Mirkin påpekade, var:

“Hur hittar vi ett material som är lika bra som iridium men som är mer rikligt, mer tillgängligt och mycket billigare? Detta nya verktyg gjorde det möjligt för oss att snabbt hitta ett lovande alternativ.”

Mirkin är professor i kemi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences och professor i kemisk och biologisk ingenjörskonst, biomedicinsk ingenjörskonst samt materialvetenskap och -teknik vid McCormick School of Engineering.

Grön väte är ett kritiskt behov för världen, men den är begränsad av sitt beroende av ett av de mest sällsynta materialen för att fungera.

“Det finns inte tillräckligt med iridium i världen för att möta alla våra förväntade behov.”

– Ted Sargent, professor i kemi vid Weinberg och professor i elektroteknik och datorteknik vid McCormick

Sargent och Mirkin arbetade tillsammans på projektet.

“När vi tänker på att dela vatten för att generera alternativa energiformer finns det inte tillräckligt med iridium ur ett rent leveransperspektiv.”

– Sargent

Att upptäcka nya kandidater för att ersätta detta metall gjorde verktyget till en perfekt tillämpning, som kan revolutionera den långsamma och skrämmande traditionella processen för materialupptäckt. Till skillnad från den traditionella trial‑and‑error‑metoden möjliggör de nya megalibraries en snabb identifiering av optimala sammansättningar.

Varje megalibrary har skapats med en grupp av hundratusentals små, pyramidformade spetsar för att skriva individuella ‘punkter’ på en yta. Varje punkt här har en noggrant designad blandning av metalsalter som, när de värms, reduceras till att bilda enskilda, unika nanopartiklar, var och en med exakt storlek och sammansättning.

Enligt Mirkin:

“Du kan tänka dig varje spets som en liten person i ett litet laboratorium. Istället för att ha en liten person som bygger en struktur åt gången, har du miljontals personer. Så du har i princip en hel armé av forskare utspridda på ett chip.”

Totalt hade chipet 156 miljoner partiklar, var och en bildad från olika kombinationer av Co, Cr, Mn och Ru. En robotscanner analyserade sedan bara hur väl de kan utföra en syreutvecklingsreaktion (OER).

Denna förmåga att screena partiklar för deras slutgiltiga prestanda är en stor innovation.

“För första gången kunde vi inte bara snabbt screena katalysatorer, utan vi såg de bästa prestera väl i en uppskalad miljö.”

– Studie medförfattare Joseph Montoya, senior forskningsvetenskapsman vid TRI

Baserat på bedömningen valde forskarna 40 bäst presterande kandidater, med en variation från låg till hög aktivitet, för vidare testning i laboratoriet. RuCoMnCr‑oxiderna skalerades till milligramnivåer innan de studerades för sin katalytiska prestanda.

En sammansättning stack ut i slutändan. Denna exakta kombination av alla fyra metaller var: Ru52Co33Mn9Cr6‑oxid.

Så kunde teamet framställa en fler‑metallkatalysator, som faktiskt är känd för att vara mer aktiv än dess enmetalliska motsvarigheter.

“Vår katalysator har faktiskt något högre aktivitet än iridium och utmärkt stabilitet,” sade Mirkin. “Det är sällsynt eftersom ruthenium ofta är mindre stabilt. Men de andra elementen i sammansättningen stabiliserar ruthenium.”

Katalysatorn genererade en spänning på 1,58 V vid 1 A/cm² och 1,77 V vid 3 A/cm².

När det gäller långsiktig prestanda har denna nya katalysator fungerat i över 1 000 timmar med hög effektivitet och anmärkningsvärd stabilitet i en hård sur miljö, samtidigt som den kostar ungefär en sextondel av iridium.

“Det finns mycket arbete kvar för att göra detta kommersiellt livskraftigt, men det är mycket spännande att vi kan identifiera lovande katalysatorer så snabbt – inte bara på laboratorienivå utan även för enheter.”

– Montoya

I processen att hitta en ny katalysator har teamet skapat enorma högkvalitativa materialdatamängder, vilket kan bana väg för maskininlärning och AI att designa nästa generation av nya material.

TRI, Northwestern och deras spin‑off Mattiq har redan utvecklat en algoritm för att söka i megalibraries i blixtsnabb hastighet. 

Ändå är det bara början. Precis som med AI kan megalibrary‑metoden skala bortom bara accelererad katalysatorupptäckt för energikonversion och omvandla materialupptäckt för nästan alla teknologier, såsom avancerade optiska komponenter, biomedicinska enheter, batterier och mer.

“Vi kommer att leta efter alla möjliga material för batterier, fusion och mer,” sade Mirkin. “Världen använder inte de bästa materialen för sina behov. Människor fann de bästa materialen vid en viss tidpunkt, med de verktyg som fanns tillgängliga. Problemet är att vi nu har en enorm infrastruktur byggd kring dessa material, och vi är fast med dem. Vi vill vända på det. Det är dags att verkligen hitta de bästa materialen för varje behov – utan kompromisser.”

Investera i vätets kraft

Bloom Energy Corp (BE ) är verksamt inom stationär bränslecellkraftgenerering. Det tillhandahåller två kommersiella produkter: Bloom Electrolyzer för vätgasproduktion och Bloom Energy Server för elproduktion.

Företaget producerar väte med den största elektrolysen i världen, som är installerad vid NASA:s Ames Research Center och genererar cirka 25 % mer väte per megawatt än kommersiella elektrolysatorer som PEM eller alkalisk.

Hittills har Bloom Energy installerat 1,5 GW lågkoldioxidkraft på över 1 200 anläggningar globalt.

Med ett börsvärde på 12,38 miljarder dollar handlas BE‑aktierna till 53,15 $, upp 138,36 % år‑till‑datum. Nyligen passerade företagets aktier 55 $ och nådde nya toppar tack vare ökat intresse från hyperskalare och datacenter. Dessutom säkrade företaget i juli ett milstolpsavtal med Oracle och antydde fler sådana avtal i framtiden.

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