Imec : 'Leuvens nanomateriaal maakt efficiënte productie van groene waterstof mogelijk
Onderzoekers van imec en KU Leuven, partners binnen EnergyVille, hebben een nieuwe grens verlegd in de wereld van de nanotechnologie.
Ze ontwikkelden een superporeus en compact nanomateriaal dat efficiënte elektrochemische reacties mogelijk maakt. De onderzoeksresultaten, gepubliceerd in Materials Today Energy, vormen een belangrijke stap in de ambitie om een kostefficiënte productie van waterstof door elektrolyse mogelijk te maken.
De grootschalige productie van groene waterstof en andere groene moleculen wordt essentieel om de klimaatdoelstellingen te kunnen halen. Voor de decarbonisatie van de staal- en cementindustrie en voor de koolstofvrije productie van kunstmest bestaat er geen alternatief. Ook in sectoren die moeilijk te elektrificeren zijn, zoals langeafstandstransport, zal groene waterstof naar verwachting een cruciale rol spelen.
Vandaag heeft groene waterstof nog slechts een marginaal marktaandeel en wordt vooral grijze waterstof geproduceerd - een proces waarbij CO2 vrijkomt. Om een grootschalige en kostefficiënte productie van groene waterstof mogelijk te maken, moeten nog enkele technologische uitdagingen overwonnen worden.
Groene waterstof wordt geproduceerd door elektrolyse van water.
De cruciale reactie in een elektrolyser speelt zich af aan het oppervlak van de elektrodes. Hoe poreuzer het elektrodemateriaal, hoe efficiënter het waterstofgas uit de reactieoppervlakken kan weggevoerd worden.
Imec en KU Leuven, partners binnen EnergyVille, ontwikkelden de voorbije jaren een nieuw materiaal dat niet alleen uiterst poreus is, maar ook een uitzonderlijk groot reactief oppervlak in een klein volume samenperst (26 m²/cm³). Het materiaal is opgebouwd uit draden van 40 nanometer dun (een duizendste van een haar) en ziet er onder de elektronenmicroscoop uit als een driedimensionaal kippengaas.
Tot voor kort moest het nanomateriaal nog ondersteund worden door een niet-poreuze drager. Die zorgde voor de nodige robuustheid, maar belemmerde de instroom van reagentia en de uitstroom van waterstofgas, waardoor het enorme potentieel van het nanomateriaal onderbenut werd.
Nu slaagden de onderzoekers erin om deze drager volledig open te maken met een poreuze structuur die van alle kanten toegankelijk is. Op basis daarvan ontwikkelden ze een nikkel-elektrode, waarmee ze experimenteel aantoonden dat de bijna volledige theoretische oppervlakte ook effectief benut wordt tijdens de elektrochemische reacties.
Hoe meer stroom je door een elektrolysecel stuurt, hoe meer waterstof er gevormd wordt, maar ook hoe hoger de verliezen in energie-efficiëntie. Het nanomateriaal komt aan dat probleem tegemoet: in vergelijking met conventionele nikkel-elektrodes kunnen ze tientallen keer hogere stroomdichtheden verwerken voor dezelfde energie-efficiëntie. Daardoor levert het nanomateriaal een hoger rendement op dan gangbare poreuze alternatieven.
Bart Onsia, business development manager bij imec/EnergyVille: “Om op gigawatt-schaal groene waterstof te kunnen produceren op offshore windparken, waar elke vierkante meter van tel is, heb je compacte elektrolysers nodig met een hoog rendement. Deze nieuwe elektrode vormt een veelbelovende component in de ontwikkeling van dergelijke elektrolysers. De ontwikkeling van die elektrolysecomponenten zetten we verder binnen het bedrijf Hyve, in samenwerking met VITO, DEME, John Cockerill, Colruyt en Bekaert.”
Philippe Vereecken, imec fellow en deeltijds hoogleraar aan KU Leuven: “Dankzij onze snelle progressie in het onderzoek komen de industriële toepassingen van ons nanomateriaal snel dichterbij. De technologie is niet afhankelijk van zeldzame grondstoffen en vertrouwt op algemeen beschikbare productietechnologieën die gemakkelijk op te schalen zijn. Bovendien onderzoeken we binnen imec samen met VITO ook hoe we deze materialen kunnen inzetten voor CO2-reductie.”
Nina Planckensteiner, Marie-Curie postdoc aan imec, vult aan: “Dat is meteen het mooie van deze nanostructuren: je kan ze in zowat alle metalen aanmaken waardoor een scala aan duurzame toepassingen mogelijk is: nikkel in elektrolysereacties, zilver en koper voor CO2-reductie, platina voor katalysatoren, enzovoort.”
Als onafhankelijk onderzoekscentrum verbindt imec zich ertoe zijn expertise in te zetten om de feiten rond technologie en innovatie helder en objectief weer te geven, en zo de maatschappij te helpen ze te begrijpen en te plaatsen. Foto imec/ red. Guy Verellen.
