Katalysatorer påskyndar kemiska reaktioner, men den mycket använda metallen platina är knapp och dyr. Forskare vid Eindhovens tekniska universitet (TU/e), tillsammans med kineser, Singaporeska och japanska forskare, har nu utvecklat ett alternativ med 20 gånger högre aktivitet:en katalysator med ihåliga nanocages av en legering av nickel och platina. TU/e-forskaren Emiel Hensen vill använda denna nya katalysator för att utveckla en elektrolysator i kylskåpsstorlek på cirka 10 megawatt i framtiden. Resultaten kommer att publiceras den 15 november i tidskriften Vetenskap .

År 2050, den nationella regeringen strävar efter att få nästan alla Nederländernas energibehov från hållbara källor, som solen eller vinden. Eftersom dessa energikällor inte alltid är tillgängliga, det är viktigt att kunna lagra den alstrade energin. Med tanke på deras låga energitäthet, batterier är inte lämpliga för att lagra mycket stora mängder energi. En bättre lösning är kemiska bindningar, med väte som det mest självklara valet av gas. Använda vatten, en elektrolysator omvandlar (ett överskott av) elektrisk energi till väte, som kan lagras. I ett senare skede, en bränslecell gör tvärtom, omvandlar det lagrade vätet tillbaka till elektrisk energi. Båda teknikerna kräver en katalysator för att driva processen.

Katalysatorn som hjälper till med dessa omvandlingar är - på grund av dess höga aktivitet - mestadels gjord av platina. Men platina är mycket dyrt och relativt ont; ett problem om vi vill använda elektrolysatorer och bränsleceller i stor skala. TU/e katalysprofessor, Emiel Hensen säger, "Medforskare från Kina utvecklade därför en legering av platina och nickel, vilket minskar kostnaderna och ökar aktiviteten."

En effektiv katalysator har hög aktivitet; den omvandlar fler vattenmolekyler till väte varje sekund. Hensen säger, "På TU/e, vi undersökte nickels inverkan på de viktigaste reaktionsstegen och för detta ändamål utvecklade vi en datormodell baserad på bilder från ett elektronmikroskop. Med kvantkemiska beräkningar kunde vi förutsäga aktiviteten hos den nya legeringen, och vi kunde förstå varför den här nya katalysatorn är så effektiv."

Testad med framgång i bränslecell

Förutom det andra valet av metall, forskarna kunde också göra betydande förändringar i morfologin. Atomerna i katalysatorn måste binda till vatten- och/eller syremolekylerna för att kunna omvandla dem. Fler bindningsställen kommer därför att leda till en högre aktivitet. Hensen säger, "Man vill göra så mycket metallytor tillgänglig som möjligt. De utvecklade ihåliga nanocages kan nås från utsidan såväl som från insidan. Detta skapar en stor yta, tillåta mer material att reagera samtidigt." Dessutom, Hensen har med kvantkemiska beräkningar visat att nanokagarnas specifika ytstrukturer ökar aktiviteten ytterligare.

Efter beräkningar i Hensens modell, det visar sig att aktiviteten för båda lösningarna tillsammans är 20 gånger högre än den för nuvarande platinakatalysatorer. Forskarna har också hittat detta resultat i experimentella tester i en bränslecell. "En viktig kritik av mycket grundläggande arbete är att det gör sitt i labbet, men när någon sätter den i en riktig enhet, det fungerar ofta inte. Vi har visat att denna nya katalysator fungerar i en verklig tillämpning."

Stabiliteten hos en katalysator måste vara sådan att den kan fortsätta att fungera i en vätgasbil eller hus i många år framöver. Forskarna testade därför katalysatorn i 50, 000 'varv' i bränslecellen, och såg en försumbar aktivitetsminskning.

Elektrolysator i varje distrikt

Möjligheterna för denna nya katalysator är många. Både i form av bränslecellen och omvänd reaktion i en elektrolysator. Till exempel, bränsleceller används i vätgasdrivna bilar medan vissa sjukhus redan har nödgeneratorer med vätgasdrivna bränsleceller. En elektrolysator kan användas, till exempel, på vindkraftsparker till havs eller kanske till och med bredvid varenda vindkraftverk. Att transportera vätgas är mycket billigare än att transportera el.

Hensens dröm går längre. Han säger, "Jag hoppas att vi snart kommer att kunna installera en elektrolysator i varje stadsdel. Den här apparaten i kylskåpsstorlek lagrar all energi från solpanelerna på taken i grannskapet under dagtid som väte. De underjordiska gasledningarna kommer att transportera väte i framtida, och hushållspannan kommer att ersättas av en bränslecell, den senare omvandlar det lagrade vätet tillbaka till elektricitet. Det är så vi kan få ut det mesta av solen."

Men för att detta ska hända, elektrolysatorn behöver fortfarande genomgå en betydande utveckling. Tillsammans med andra TU/e-forskare och industripartners från Brabantregionen, Hensen är därför involverad i uppstarten av energiinstitutet vid TU Eindhoven. Syftet är att skala upp de nuvarande kommersiella elektrolysörerna till en elektrolysator i kylskåpsstorlek på cirka 10 megawatt.