Platinafri vätgaskatalysator: Ett steg framåt i ren energiteknik

En ren energiövergång pågår över hela världen när den förvärrade klimatkrisen skapar ett akut behov av att avkolsyra energisystemen. 

Till skillnad från fossila bränslen som kol och olja släpper rena energikällor inte ut stora mängder växthusgaser (GHG) som metan, CO2, lustgas eller andra föroreningar under sin produktion, vilket bidrar till en hälsosammare miljö.

Intressant nog kan ren energi komma från förnybara källor som solen som ständigt förnyas och finns över hela planeten samt från icke-förnybara källor som kärnenergi, som använder ändliga resurser (uran).

Jämfört med sina fossila motsvarigheter har rena energikällor också lägre underhålls- och driftskostnader, vilket möjliggör mer stabila priser för konsumenterna.

Med detta växer ren energibransch snabbt, med investeringar i cleantech‑teknologier som minskar miljöpåverkan och främjar hållbarhet, och når ett rekord $71 miljarder under Q3 2024, enligt Deloitte. 

Nu, när det gäller rena energikällor, är de mest framträdande:

1. Sol – Solens strålning utnyttjas här genom teknologier som fotovoltaiska (PV) paneler som omvandlar solljus direkt till elektricitet. År 2024 ökade den globala solkapaciteten markant med hela 593 GW ny sol‑PV‑kapacitet. 
2. Vind – Vindens kinetiska energi omvandlas till elektricitet av turbiner. Beroende på turbinernas placering finns två typer: landbaserad vindkraft, där vindkraftverk ligger på land, och havsbaserad vindkraft, där vindkraftverk ligger till havs.
3. Vatten – Den kinetiska energin i rinnande vatten används för att generera elektricitet, främst via dammar och turbiner. Vattenkraft bidrar med cirka 15% av den totala elproduktionen. 
4. Geotermisk – Denna energiform utnyttjas genom jordens inre värme och erhålls via geotermiska kraftverk placerade i underjordiska reservoarer.  
5. Biomassa – Här utnyttjas organiskt material som jordbruksavfall och skogsrester. 
6. Kärnkraft  – Det är energin från en atom med kraft som erhålls genom kärnklyvning och kärnfusion. Enligt Deloittes undersökning om kraft och verktyg kommer avancerade kärnteknologier att spela den viktigaste rollen för att möta den ökande efterfrågan på el under de kommande åren.
7. Väte – Väte produceras från olika resurser och, när det förbrukas i en bränslecell, producerar endast vatten. USA:s energidepartement (DOE) har avsatt $7 miljarder för att utveckla vätehubbar.

Väte som ett kraftfullt rent bränsle

Det allra första elementet i periodiska systemet, väte (H), är en färglös, luktfri, smaklös, mycket brännbar och icke‑giftig gas. Det är också det enklaste, lättaste och mest förekommande elementet.

Men vad som gör det extremt attraktivt är att när det förbränns producerar väte endast vattenånga. När det produceras med förnybar energi, särskilt, kan grönt väte hjälpa till att avkolsyra sektorer som transport och elproduktion.

Mitt i samhällets ökande energibehov erbjuder väte en mycket effektiv ren energikälla som kan potentiellt produceras från olika källor. Det är faktiskt en energibärare som kan användas för att transportera, lagra och leverera energi som producerats från andra källor.

De vanligaste sätten att producera vätebränsle är:

1. Termisk process – Produceras med en högtemperaturprocess som kallas ångreformering, där väte genereras när ånga reagerar med kolvätebränslen såsom naturgas, diesel, gasifierat kol, gasifierad biomassa och förnybara flytande bränslen.
2. Elektrolytisk process – Vatten (H₂O) separeras i syre och väte med hjälp av en elektrisk ström. Processen sker i en elektrolysör där elektricitet passerar genom vattnet och får molekylerna att dela sig.
3. Sol‑driven process – Ljus används för att producera väte och inkluderar olika tillvägagångssätt, såsom fotobiologisk, fotoelektrokemisk och soltermokemisk. 
4. Biologisk process – Väte produceras genom biologiska reaktioner med mikrober som bakterier och mikroalger.

Väte har en mycket hög potential att tillgodose samhällets rena energibehov, men problemet är att det fortfarande finns utmaningar som måste övervinnas. Dessa utmaningar inkluderar massproduktion, transport och lagring. Dessutom måste väteproduktionen vara stabil och billig.

Väteutvecklingsreaktionen (HER) anses vara den mest miljövänliga och hållbara metoden för väteproduktion. Det är en katodreaktion som involverar elektrolys av vatten. 

I denna elektrokemiska vatten‑splittningsprocess används ädelmetaller som platina, nickel och andra övergångsmetaller som katalysatorer för att reducera protoner till vätgas.

Problemet uppstår med den metall som oftast används som katalysator, platina, som trots sin mycket effektiva katalytiska prestanda lider av bristfällighet och hög kostnad. Därför fokuseras alltmer på alternativa katalysatorer för att minska konsumtionen av ädelmetaller.

Platinas roll i att göra väte rent

Ett glänsande, silvervitt metall som ibland förväxlas med silver, platina (Pt) är nyckeln till att uppnå målet om nettonollutsläpp. Detta täta, smidiga och glänsande metall är mycket oreaktivt och motståndskraftigt mot korrosion, även vid höga temperaturer.

Det är dock ett extremt sällsynt metall, över 30 gånger sällsyntare än guld, med en koncentration på endast 0,005 ppm i jordskorpan. Som en knapp metall är platina svår och dyr att bryta, vilket innebär en dyrare slutprodukt.

Metallen bryts främst i Sydafrika, som står för över 70 % av den globala platinaförsörjningen, samt i Ryssland, Zimbabwe, Kanada och USA.

När det gäller användningsområden används platina för att tillverka smycken, men viktigast av allt används den i elektroniska komponenter och katalysatorer för att minska transportutsläpp. År 2022 användes omkring 85 ton platina enbart för katalysatorer. Den blir också en kritisk mineral i den globala energiövergången. 

Metallen är särskilt ovärderlig i elektrolysörer, som finns i olika typer, men väteprojektutvecklare föredrar protonutbytesmembran‑elektrolys (PEM). Ett mer effektivt alternativ till alkalisk elektrolys, PEM‑elektrolysörer använder platina för att skapa extremt högpresterande katalysatorer. 

Platina används också i PEM‑bränsleceller, som fungerar som PEM‑elektrolysörer men i omvänd riktning. Istället för att separera väte och syre kombinerar den dem med platina som katalysator.

Vätgasbränsleceller består av två elektroder — en anod (negativ elektrod) och en katod (positiv elektrod) med en elektrolyt som separerar dem. En katalysator, ett lager av metall som platina, vid anoden delar vätgasmolekyler i protoner och elektroner, vilka rör sig mot katoden för att skapa en elektrisk ström.

Den utmärkta ledningsförmågan och kemiska stabiliteten hos platina är det som gör den så effektiv som katalysator. Dess effektivitet är nyckeln till att uppnå höga energikonverteringsgrader i bränsleceller, vilket gör att de kan konkurrera med traditionella energikällor. 

Allteftersom behovet av avkolsyra ökar, förväntas efterfrågan på platina ökas tack vare PEM‑teknologier baserade på platina som har potential att uppnå 11 % minskning av globala koldioxidutsläpp.

Därför ökar fokus på detta metall världen över. I USA innehåller Inflation Reduction Act en skatteförmån för lågenergi‑väte med målet att påskynda ren vätgasproduktion och antagande av bränslecell‑EV. REPowerEU från Europeiska kommissionen syftar samtidigt till att dubbla kapaciteten för ren väte till 80 GW till 2030.

Denna globala drivkraft, enligt World Platinum Investment Council, kan göra ren vätgasproduktion till den största källan (35 %) av platinaefterfrågan år 2040.

Förutom de obalanserade efterfråge‑/utbudsdynamikerna medför användning av ädelmetaller som platina ytterligare utmaningar, såsom höga kostnader, potentiell nedbrytning och miljöproblem. Därför har forskare kontinuerligt arbetat med att ta bort platina som vätgaskatalysator och hitta bättre alternativ.

Klicka här för att lära dig allt om att investera i Platina.

Tillverkning av platinafria katalysatorer

I jakten på platinafritt väte forskar forskare från UNSW Sydney på en studie för att adressera problemen med användning av den ädla metallen i vätgaskraftceller. 

Forskarnas nya teknik förklarar varför vissa katalysatormaterial har lägre stabilitet än Pt, vilket kommer att hjälpa andra forskare att utveckla nya material och förbättra framtiden för platinafria katalysatorer i vätgaskraftceller.

De utvecklade teknikerna visade att så mycket som 75 % av de järnbaserade aktiva platserna i bränslecellen blev inaktiva under de första 10 timmarna av drift. Detta berodde främst på förlust av järnaktiva platser, med kolkorrosion som en annan orsak. 

I en separat studie¹ använde forskare från University of Wisconsin‑Madison, Cornell University och Wuhan University ett nytt sätt att katalysera reaktionen för att skapa vätgaskraftceller.

Forskarna använde det billiga, icke‑ädelmetallen nickel för både katod‑ och anod‑elektroder i bränslecellen. Den nickelbaserade elektrokatalysatorn designades med ett 2‑nanometers skal av kväve‑dopad kol.

Att inbädda enskilda nickelatomer i ett grafen‑liknande hölje av kol‑ och kväveatomer gjorde dem motståndskraftiga mot oxidation och bundna väteatomer med den idealiska styrka som krävs för en effektiv väteoxidationsreaktion (HOR).

Så, med en anodkatalysator bestående av en solid nickelkärna innesluten i ett kolskal och en katod av kobolt‑mangan, skapade forskarna en vätgaskraftcell utan någon ädelmetall med en effekt på över 200 mW/cm².

Tillbaka år 2020 fann forskare vid DOE:s Argonne National Laboratory utvecklade den mest lovande platinafria katalysatorn för vätgaskraftceller som förlitar sig på syrereduktionsreaktionen (ORR). Den baserades på järn, kväve och kol, som blandades och upphettades mellan 900 och 1100 °C i en pyrolys.

Sedan bundits materialets järnatomer med kväveatomer och inbäddades i grafen. Här utgör varje järnatoms en plats där ORR kan ske, vilket gör elektroden mer effektiv.

Mitt i detta ökade intresse för att minska beroendet av dyr platina och förbättra effektiviteten och kostnadseffektiviteten för vätgaskraftceller och elektrolys har forskare nu utvecklat en palladium‑baserad nanoskiktskatalysator vars prestanda är på nivå med platina i väteproduktion.

Palladium som ett alternativ till platina för prisvärt väte

Den senaste² studien kom från forskare vid Tokyo University of Science (TUS) som har utvecklat en ny vätgasutvecklingskatalysator, bis(diimino)palladium‑koordinations‑nanoskikt (PdDI).

Palladium är ett glänsande, silverfärgat och ett av de mest förekommande platina‑gruppmetallerna med en densitet mycket lägre än platina.

Användningen av palladium, som erbjuder platina‑liknande effektivitet till en bråkdel av kostnaden, banar vägen för prisvärd och hållbar väteproduktion för att påskynda den rena energirevolutionen. 

Ledd av professor Hiroshi Nishihara och Dr. Hiroaki Maeda från TUS i samarbete med forskare från andra institut, markerar studien ett genombrott i teknologin för vätgasutvecklingsreaktionen (HER).

HER‑katalysatorelektroderna underlättar omvandlingen av H, som produceras på elektrodytan under vatten‑splittning, till vätgas (H₂). För att övervinna begränsningarna hos Pt som hindrar dess storskaliga tillämpning som HER‑katalysator, erbjuder teamet ett mycket effektivt alternativ till platina‑katalysatorer med en enkel syntesprocess.

Teamet skapade palladium‑baserade nanoskikt som har förmågan att uppnå hög katalytisk aktivitet med minskat användande av ädelmetall, vilket avsevärt sänker kostnaderna för H₂‑produktion.

Som Dr. Maeda påpekade, “utveckling av effektiva HER‑elektrokatalysatorer är nyckeln till hållbar H₂‑produktion” och “Bis(diimino)‑metall‑koordinations‑nanoskikt, med sin höga ledningsförmåga, stora yta och effektiva elektronöverföring, är lovande kandidater.” Dessutom minskar den glesa metallarrangemanget i nanoskikten materialanvändningen. 

PdDI‑nanoskikten, dvs. E‑PdDI och C‑PdDI, utvecklades framgångsrikt med två olika metoder:

1. Elektrokemisk oxidation
2. Gas‑vätske‑gränssnittssyntes

När de aktiverades visade E‑PdDI‑skikten en låg överpotential på 34 mV, vilket betyder att mycket lite extra energi krävs för väteproduktion. Det matchar inte bara platinas överpotential på 35 mV, utan även den ädla metallens katalytiska prestanda med en utbytesström‑densitet på 2,1 mA/cm².

Den “anmärkningsvärda prestandan” överträffar inte bara Pd‑metallelektroder utan även konventionella MDI (M=Ni, Co, Cu) nanoskikt, enligt studien, och noteras att denna exceptionella prestanda uppnåddes trots användning av mycket små mängder ädelmetaller.

Med dessa resultat presenterar E‑PdDI de mest effektiva HER‑katalysatorerna som någonsin utvecklats, vilket gör dem till ett lovande lågt‑kostnadsalternativ till platina.

När det gäller långsiktig stabilitet, en av de kritiska aspekterna för alla katalysatorer, visade PdDI‑nanoskikten också utmärkt hållbarhet. De förblev intakta efter 12 timmar i sura förhållanden, vilket bekräftar deras lämplighet för verkliga väteproduktionssystem. 

“Vår forskning för oss ett steg närmare att göra H₂‑produktion mer prisvärd och hållbar, ett avgörande steg för att uppnå en ren energiframtid.”

– Dr. Maeda

Genom att minska beroendet av den knappa och kostsamma platina, är bis(diimino)palladium‑koordinations‑nanoskikt (PdDI) också i linje med FN:s mål för hållbar utveckling (SDG), vilket främjar prisvärd och ren energi samt innovation och infrastruktur. 

Det är värt att notera att studien inte är begränsad till laboratorieexperiment. Kostnadseffektiviteten, skalbarheten och den förbättrade aktiviteten hos PdDI‑nanoskikt gör dem extremt användbara i storskaliga energilagringssystem, vätgaskraftceller och industriell väteproduktion.

Dessutom kan PdDI minska de gruvrelaterade utsläppen som är förknippade med platina‑baserade katalysatorer, vilket påskyndar övergången till en hållbar vätgasekonomi. Nästa steg för TUS‑teamet är att optimera PdDI‑nanoskikten för verklig användning.

Click here to learn all about investing in Palladiu

Investeringsbara innovativa företag 

Låt oss nu titta på ett framstående namn inom området som hjälper till att driva fram ren energiteknik, inklusive utvecklingen av platinafria vätgaskatalysatorer.

Plug Power Inc.

Det $1,54 miljard stora företaget specialiserar sig på vätgaskraftcellsystem och har forskat på icke‑platina‑katalysatorer för att minska kostnader och förbättra effektiviteten.

Vid skrivande stund handlas PLUG‑aktier till $1,71, ned 21,6 % YTD. Dess EPS (TTM) är -2,54 och P/E (TTM) är -0,65.

För Q4 2024 rapporterade Plug Power (PLUG ) $191,5 miljoner i intäkter och en bruttomarginalförlust på 122 %, medan rörelsens kassaflöde förbättrades med 46 % YoY. Företaget avslutade året med över $200 miljoner i orestrikterad kassa. Företaget avslutade nyligen ett DOE‑lånegarantiprogram på $1,66 miljard. 

Under denna period fortsatte Plug Powers elektrolysbusiness att skala upp, och vätgaskbusinessen stärktes.

“2024 var ett år av stark genomförande och meningsfull strategisk framsteg för Plug när vi avancerade våra initiativ och gjorde framsteg i att driva vätgasekonomin framåt.”

– VD Andy Marsh

Senaste om Plug Power

Slutsats

Med världens befolkning som växer snabbt, vilket förväntas nå cirka 10,3 miljarder omkring mitten av 2080‑talen, kommer problemet med växthusgasutsläpp att bli ännu allvarligare. Detta skapar ett behov av att minska vårt beroende av fossila bränslen och anta energikällor som är rena, säkrare, rikliga och miljövänliga.

Här har väteenergi framträtt som en nyckelfaktor för en ren och hållbar framtid, och erbjuder ett nollutsläpps‑alternativ till fossila bränslen. Trots sin potential är storskalig väteproduktion starkt beroende av dyra platina‑baserade katalysatorer, vilket gör kostnaden till en stor utmaning för branschen.

Genom att ersätta den dyrbara Pt‑metallen med PdDI‑nanoskikt har den senaste studien uppnått ett genombrott i kostnadseffektiv produktion av elektroder och levererat utmärkta resultat inom elektrod‑leveransindustrier, väteproduktion och fordon.

Klicka här för en lista över topp‑ren‑energi‑aktier med miljöfokus. 

Studier som refereras:

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 ädelmetallfri alkalisk bränslecell med förbättrad prestanda med hjälp av en kolbelagd nickelanod. 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). Syntes av bis(diimino)palladium‑nanoskikt som mycket aktiva elektrokatalysatorer för vätgasutveckling. Chemistry – A European Journal. https://doi.org/10.1002/chem.202403082