Een team onderzoekers van de Universiteit Twente onder leiding van dr. Marco Altomare hadden met een nieuwe methode minder edelmetalen zoals platina nodig bij de productie van groene waterstof zonder dat dit ten koste ging van de prestaties. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Functional Materials van Wiley VCH.
Om klimaatverandering en de energiecrisis te bestrijden moeten we dringen overschakelen op duurzame energiebronnen. Groene waterstof heeft hier belangrijke rol, maar een grootschalige waterstofeconomie heeft efficiënte, compacte en veerkrachtige technologieën nodig
Polymeer elektrolyt membraan (PEM) waterelektrolysers en brandstofcellen gebruiken katalysatoren van edelmetalen zoals platina en iridium om de productie en conversie van waterstof zo efficiënt mogelijk te maken. Deze katalysatoren zijn echter duur en schaars en beperken dus de grootschalige ontwikkeling van waterstoftechnologieën. Daarom wil het Amerikaanse Ministerie van Energie (DOE) tegen 2026 prestaties bereiken die ongeveer 5-10 keer hoger zijn dan die van de huidige cellen, met minder dan 20% van de momenteel gebruikte hoeveelheid van deze metalen (momenteel ongeveer 3 mg/cm2 als totale lading van platina en iridium) - een grote wetenschappelijke en technologische uitdaging.
Geen prestatieverlies
Bij het bestuderen van platina als modelkatalysator combineerde het team van Dr. Marco Altomare, in samenwerking met partners uit Erlangen (Duitsland) en Pavia (Italië), fysische dampdepositie (PVD) en gecontroleerde thermische behandelingen (bekend als solid-state dewetting) om zeer actieve en duurzame elektroden te maken met een minimale hoeveelheid edelmetaal. "Volgens onze voorlopige laboratoriumexperimenten kunnen we met onze aanpak de benodigde hoeveelheid kostbare katalysator mogelijk tot vijf keer verminderen. En dat alles zonder verlies in de waterstofproductie", zegt Shreyas Harsha, de PhD-onderzoeker die de leiding heeft over het project.
Dr. Marco Altomare voegt hieraan toe: "Onze methode is volledig chemicaliënvrij, dus veiliger en zonder verspilling van kostbare katalysatorprecursor, en het is schaalbaar - in feite worden vergelijkbare dunne film depositiemethoden al op grote schaal gebruikt in verschillende industriële toepassingen, en onze faciliteiten aan de Universiteit Twente zijn al geschikt om katalysatorlagen te coaten op oppervlakken tot een paar 100 cm2."
Verdere vermindering
Als volgende doel wil het team van Dr. Marco Altomare wil nu, in samenwerking met Nederlandse onderzoekscentra en bedrijven, hun elektroden testen onder omstandigheden die relevant zijn voor de industrie, om een efficiënte en stabiele werking van waterelektrolyse aan te tonen en te valideren met edelmetaalbelastingen van minder dan 0,5 mg/cm2. Het bereiken van deze doorbraak is veelbelovend voor de toekomst van groene waterstofproductie en duurzame energie.
Meer informatie
Shreyas Harsha is promovendus in de onderzoeksgroep Photocatalytic Synthesis (PCS) aan de Universiteit Twente. Onder supervisie van Dr. Marco Altomare doet Shreyas momenteel onderzoek naar de ontwikkeling van nanogestructureerde elektrodes door toepassing van fysische dampdepositie en solid-state dewetting methoden voor elektrochemische waterstofproductie.
Dr. Marco Altomare is momenteel assistent-professor bij de afdeling Chemical Engineering, van de faculteit TNW en MESA+. Zijn team, dat gespecialiseerd is in materiaalkunde voor elektrochemische conversie, publiceerde de bovenstaande bevindingen in een recent artikel, getiteld 'Dewetting of Pt Nanoparticles Boosts Electrocatalytic Hydrogen Evolution Due to Electronic Metal-Support Interaction', in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Functional Materials van Wiley VCH, dat ook is opgenomen in de virtuele speciale uitgave van Wiley VCH 'Hot Topic: Water Splitting'.
