Forskare vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University har för första gången visat att en billig katalysator kan dela vatten och generera vätgas i timmar i sträck i den hårda miljön för en kommersiell enhet.

Elektrolysertekniken, som är baserad på ett polymerelektrolytmembran (PEM), har potential för storskalig väteproduktion driven av förnybar energi, men det har delvis hållits tillbaka av de höga kostnaderna för ädelmetallkatalysatorerna, som platina och iridium, behövs för att öka effektiviteten av de kemiska reaktionerna.

Denna studie visar vägen mot en billigare lösning, forskarna rapporterade idag i Naturens nanoteknik .

"Vätgas är en enormt viktig industriell kemikalie för att tillverka bränsle och gödningsmedel, bland annat, sa Thomas Jaramillo, chef för SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, som ledde forskargruppen. "Det är också en ren, molekyl med högt energiinnehåll som kan användas i bränsleceller eller för att lagra energi som genereras av varierande kraftkällor som sol och vind. Men det mesta av det väte som produceras idag är tillverkat av fossila bränslen, ökar CO2-nivån i atmosfären. Vi behöver ett kostnadseffektivt sätt att producera det med ren energi."

Från dyr metall till billig, rikligt med material

Det har pågått ett omfattande arbete under åren för att utveckla alternativ till ädelmetallkatalysatorer för PEM-system. Många har visat sig arbeta i laboratoriemiljö, men Jaramillo sa att såvitt han vet är detta den första som visar hög prestanda i en kommersiell elektrolysör. Enheten tillverkades av en PEM-elektrolysforskningsplats och fabrik i Connecticut för Nel Hydrogen, världens äldsta och största tillverkare av elektrolysutrustning.

Elektrolys fungerar ungefär som ett batteri omvänt:snarare än att generera elektricitet, den använder elektrisk ström för att dela upp vatten till väte och syre. Reaktionerna som genererar väte och syrgas sker på olika elektroder med olika ädelmetallkatalysatorer. I detta fall, Nel Hydrogen-teamet ersatte platinakatalysatorn på den vätegenererande sidan med en katalysator bestående av nanopartiklar av koboltfosfid avsatta på kol för att bilda ett fint svart pulver, som producerades av forskarna vid SLAC och Stanford. Liksom andra katalysatorer, det sammanför andra kemikalier och uppmuntrar dem att reagera.

Koboltfosfidkatalysatorn fungerade extremt bra under hela testets varaktighet, mer än 1, 700 timmar – en indikation på att den kan vara tillräckligt tålig för daglig användning vid reaktioner som kan ske vid förhöjda temperaturer, tryck och strömtätheter och under extremt sura förhållanden under långa tidsperioder, sa McKenzie Hubert, en doktorand i Jaramillos grupp som ledde experimenten med Laurie King, en forskningsingenjör från SUNCAT som sedan dess har börjat på fakulteten vid Manchester Metropolitan University.

"Vår grupp har studerat denna katalysator och relaterade material ett tag, " sade Hubert, "och vi tog det från en grundläggande labbskala, experimentstadiet genom att testa det under industriella driftsförhållanden, där du behöver täcka en mycket större yta med katalysatorn och den måste fungera under mycket mer utmanande förhållanden."

En av de viktigaste delarna av studien var att skala upp produktionen av koboltfosfidkatalysatorn samtidigt som den hölls mycket enhetlig - en process som involverade syntetisering av utgångsmaterialet vid laboratoriebänken, mala med mortel och mortelstöt, baking in a furnace and finally turning the fine black powder into an ink that could be sprayed onto sheets of porous carbon paper. The resulting large-format electrodes were loaded into the electrolyzer for the hydrogen production tests.

Producing hydrogen gas at scale

While the electrolyzer development was funded by the Defense Department, which is interested in the oxygen-generating side of electrolysis for use in submarines, Jaramillo said the work also aligns with the goals of DOE's H2@Scale initiative, which brings DOE labs and industry together to advance the affordable production, transport, storage and use of hydrogen for a number of applications, and the fundamental catalyst research was funded by the DOE Office of Science.

Katherine Ayers, vice president for research and development at Nel and a co-author of the paper, sa, "Working with Tom gave us an opportunity to see whether these catalysts could be stable for a long time and gave us a chance to see how their performance compared to that of platinum.

"The performance of the cobalt phosphide catalyst needs to get a little bit better, and its synthesis would need to be scaled up, " she said. "But I was quite surprised at how stable these materials were. Even though their efficiency in generating hydrogen was lower than platinum's, it was constant. A lot of things would degrade in that environment."

While the platinum catalyst represents only about 8 percent of the total cost of manufacturing hydrogen with PEM, the fact that the market for the precious metal is so volatile, with prices swinging up and down, could hold back development of the technology, Ayers said. Reducing and stabilizing that cost will become increasingly important as other aspects of PEM electrolysis are improved to meet the increasing demand for hydrogen in fuel cells and other applications.