Grönt väte kan produceras genom vattenelektrolysteknik, som använder förnybar energi för att dela upp vatten i väte och syre utan att släppa ut koldioxid. Men produktionskostnaden för grönt väte är för närvarande cirka 5 USD per kilogram, vilket är två till tre gånger högre än grått väte som erhålls från naturgas.
För praktisk användning av grönt väte krävs innovation inom vattenelektrolysteknik för att förverkliga väteekonomin, särskilt för Korea där utnyttjandet av förnybar energi är begränsat på grund av geografiska skäl.
Dr. Kyung Joong Yoons forskargrupp vid Energy Materials Research Center vid Korea Institute of Science and Technology (KIST) har utvecklat en nanokatalysator för högtemperaturvattenelektrolys som kan bibehålla en hög strömtäthet på mer än 1A/cm 2 under lång tid vid temperaturer över 600°. Verket publiceras i Chemical Engineering Journal .
Även om nedbrytningsmekanismerna för nanomaterial vid höga temperaturer hittills har varit svårfångade, identifierade teamet de grundläggande orsakerna till onormalt beteende hos nanomaterial och löste framgångsrikt problem, vilket så småningom förbättrade prestanda och stabilitet i realistiska vattenelektrolysceller.
Elektrolystekniken kan klassificeras i låg- och högtemperaturelektrolys. Medan lågtemperaturelektrolys som arbetar vid temperaturer under 100° Celsius länge har utvecklats och är tekniskt mer mogen, erbjuder högtemperaturelektrolys som arbetar över 600° Celsius högre effektivitet och anses vara en nästa generations teknik med en stark potential för ytterligare kostnader -nedåt.
Dess kommersialisering har emellertid hindrats av bristen på termisk stabilitet och otillräcklig livslängd på grund av nedbrytning vid hög temperatur, såsom korrosion och strukturell deformation. I synnerhet nanokatalysatorer, som används i stor utsträckning för att förbättra prestandan hos lågtemperaturvattenelektrolysatorer, försämras snabbt vid höga driftstemperaturer, vilket gör det svårt att effektivt använda dem för högtemperaturvattenelektrolys.
För att övervinna denna begränsning utvecklade teamet en ny syntetisk nanokatalysatorteknik som undertrycker bildningen av skadliga föreningar som orsakar nedbrytning vid hög temperatur.
Genom att systematiskt analysera fenomenen i nanoskala med hjälp av transmissionselektronmikroskopi, identifierade forskarna specifika ämnen som orsakar allvarliga strukturella förändringar, såsom strontiumkarbonat och koboltoxid, och lyckades avlägsna dem för att uppnå mycket stabila nanokatalysatorer, vad gäller kemiska och fysikaliska egenskaper.
När teamet applicerade nanokatalysatorn på en högtemperaturvattenelektrolyscell, mer än fördubblade den väteproduktionshastigheten och fungerade i mer än 400 timmar vid 650° utan nedbrytning. Denna teknik tillämpades också framgångsrikt på en praktisk vattenelektrolyscell med stor yta, vilket bekräftar dess starka potential för uppskalning och kommersiell användning.
"Våra nyutvecklade nanomaterial uppnådde både hög prestanda och stabilitet för högtemperaturvattenelektrolysteknik, och det kan bidra till att sänka produktionskostnaden för grönt väte, vilket gör det ekonomiskt konkurrenskraftigt med grått väte i framtiden", säger Dr Kyungjoong Yoon av KIST.
"För kommersialisering planerar vi att utveckla automatiserade bearbetningstekniker för massproduktion i samarbete med industricelltillverkare."
Mer information: Mi Young Park et al, In situ syntes av extremt små, termiskt stabila perovskit nanokatalysatorer för högtemperaturelektrokemiska energienheter, Chemical Engineering Journal (2023). DOI:10.1016/j.cej.2023.146924
Journalinformation: Chemical Engineering Journal
Tillhandahålls av National Research Council of Science and Technology
