Effektiv lagringsteknik är nödvändig om sol- och vindkraft ska bidra till att tillgodose ökade energibehov. Ett viktigt tillvägagångssätt är lagring i form av väte som utvinns ur vatten med hjälp av solenergi eller vindkraft. Denna process sker i en så kallad elektrolysator. Tack vare ett nytt material som utvecklats av forskare vid Paul Scherrer Institute PSI och Empa, dessa enheter kommer sannolikt att bli billigare och effektivare i framtiden. Materialet i fråga fungerar som en katalysator som påskyndar splittringen av vattenmolekyler:det första steget i produktionen av väte. Forskare visade också att detta nya material kan produceras på ett tillförlitligt sätt i stora mängder och demonstrerade dess prestanda i en teknisk elektrolyscell - huvudkomponenten i en elektrolysator. Resultaten av deras forskning har publicerats i den aktuella upplagan av den vetenskapliga tidskriften Naturmaterial .

Eftersom solenergi och vindenergi inte alltid är tillgänglig, det kommer bara att bidra väsentligt till att möta energikraven när en pålitlig lagringsmetod har utvecklats. Ett lovande tillvägagångssätt för detta problem är lagring i form av väte. Denna process kräver en elektrolysator, som använder elektricitet som genereras av solenergi eller vindenergi för att dela vatten till väte och syre. Väte fungerar som en energibärare. Den kan lagras i tankar och senare omvandlas till elektrisk energi med hjälp av bränsleceller. Denna process kan utföras lokalt, på platser där det behövs energi, till exempel hushåll eller bränslecellfordon, möjliggör rörlighet utan koldioxidutsläpp.

Billigt och effektivt

Forskare vid Paul Scherrer Institute PSI har nu utvecklat ett nytt material som fungerar som katalysator i en elektrolysator och därmed påskyndar splittringen av vattenmolekyler:det första steget i produktionen av väte. "Det finns för närvarande två typer av elektrolysatorer på marknaden:en är effektiv men dyr eftersom dess katalysatorer innehåller ädelmetaller som iridium. De andra är billigare men mindre effektiva", förklarar Emiliana Fabbri, forskare vid Paul Scherrer Institute. "Vi ville utveckla en effektiv men billigare katalysator som fungerade utan att använda ädelmetaller."

Utforskar detta förfarande, forskare kunde använda ett material som redan hade utvecklats:en invecklad förening av elementen barium, strontium, kobolt, järn och syre-en så kallad perovskit. Men de var de första som utvecklade en teknik som möjliggjorde dess produktion i form av små nanopartiklar. Detta är den form som krävs för att den ska fungera effektivt eftersom en katalysator kräver en stor ytarea på vilken många reaktiva centra kan påskynda den elektrokemiska reaktionen. När enskilda katalysatorpartiklar har gjorts så små som möjligt, deras respektive ytor kombineras för att skapa en mycket större total yta.

Forskare använde en så kallad flamsprayanordning för att producera detta nanopulver:en enhet som drivs av Empa som skickar materialets beståndsdelar genom en låga där de smälter samman och snabbt stelnar till små partiklar när de lämnar lågan. "Vi var tvungna att hitta ett sätt att använda enheten som på ett tillförlitligt sätt garanterade stelning av atomerna hos de olika elementen i rätt struktur, "understryker Fabbri." Vi kunde också variera syrehalten vid behov, möjliggör produktion av olika materialvarianter. "

Framgångsrika fälttester

Forskare kunde visa att dessa förfaranden fungerar inte bara i laboratoriet utan också i praktiken. Produktionsmetoden levererar stora mängder av katalysatorpulvret och kan göras lätt tillgänglig för industriellt bruk. "Vi var ivriga att testa katalysatorn under fältförhållanden. Naturligtvis, vi har testanläggningar på PSI som kan undersöka materialet men dess värde beror i slutändan på dess lämplighet för industriella elektrolysceller som används i kommersiella elektrolysatorer, "säger Fabbri. Forskare testade katalysatorn i samarbete med en elektrolystillverkare i USA och kunde visa att enheten fungerade mer tillförlitligt med den nya PSI-producerade perovskiten än med en konventionell iridiumoxidkatalysator.

Undersöker i millisekunder

Forskare kunde också utföra exakta experiment som gav exakt information om vad som händer i det nya materialet när det är aktivt. Detta innebar att studera materialet med röntgenstrålar vid PSI:s Swiss Light Source SLS. Denna anläggning ger forskare en unik mätstation som kan analysera ett materials tillstånd över på varandra följande tidsperioder på bara 200 millisekunder. "Detta gör att vi kan övervaka förändringar i katalysatorn under den katalytiska reaktionen:vi kan observera förändringar i de elektroniska egenskaperna eller arrangemanget av atomer, "säger Fabbri. Vid andra anläggningar, varje individuell mätning tar cirka 15 minuter, ger i bästa fall bara en genomsnittlig bild. "Dessa mätningar visade också hur partikelytornas strukturer förändras när de är aktiva - delar av materialet blir amorfa vilket innebär att atomerna i enskilda områden inte längre är enhetligt arrangerade. Oväntat, detta gör materialet till en bättre katalysator.