Onderzoekers van MIT halen waterstof uit ammoniak

Ammoniak is relatief eenvoudig op te slaan en te vervoeren en geldt daarom als een interessante drager voor waterstof. Het terugwinnen van die waterstof vraagt echter veel energie. Een nieuwe elektrochemische methode van MIT combineert beide stappen en kan al bij 200 tot 300 °C een geconcentreerde stroom zuivere waterstof produceren.

Het systeem koppelt een palladiumhoudend scheidingsmembraan aan een elektrode via een gesmolten hydroxide-elektrolyt. Ammoniak wordt eerst met een katalysator op basis van ruthenium en cesium ontleed. De vrijgekomen waterstof bereikt vervolgens het membraan, dat selectief waterstof doorlaat en de andere bestanddelen tegenhoudt.

Over het membraan wordt een elektrochemische gradiënt aangelegd die als het ware een vacuüm voor waterstof creëert. Daardoor wordt waterstof actief van een lage naar een hoge concentratie getransporteerd. Tijdens dat proces wordt waterstof opgesplitst in protonen en elektronen. De protonen bewegen door de elektrolyt, terwijl de elektronen via een extern elektrisch circuit worden geleid. Aan een tweede elektrode komen beide weer samen en ontstaat opnieuw moleculaire waterstof.

Het membraan vervult daarmee twee functies: het haalt waterstof voortdurend uit het reactiemengsel én zorgt direct voor scheiding van stikstof en andere bestanddelen. Aan de uitgang ontstaat daardoor een sterk geconcentreerde waterstofstroom waarvoor geen afzonderlijke zuiveringsstap nodig is.

Lagere temperatuur

Het continu verwijderen van waterstof heeft nog een tweede effect. Bij conventionele dehydrogenering kan de aanwezigheid van het reactieproduct de verdere omzetting afremmen. Door waterstof meteen weg te pompen, verschuift het reactie-evenwicht en kan de omzetting onder mildere omstandigheden doorgaan. In experimenten kon het proces daardoor bij ongeveer 200 tot 300 °C worden uitgevoerd. Conventioneel kraken van ammoniak vereist voor hoge reactiesnelheden en omzettingsgraden temperaturen van meer dan 500 °C. Daarnaast vervalt een deel van de energie-intensieve zuivering achteraf.

Waterstofgas heeft een lage volumetrische energiedichtheid en moet voor efficiënt transport sterk worden gecomprimeerd of vloeibaar worden gemaakt. Ammoniak kan veel eenvoudiger vloeibaar worden opgeslagen en beschikt bovendien al over een omvangrijke internationale productie- en transportinfrastructuur.

Ook andere dragers

De methode is niet beperkt tot ammoniak. MIT demonstreerde hetzelfde principe met methylcyclohexaan, een stof uit de categorie liquid organic hydrogen carriers of LOHC’s. Ook dergelijke moleculen kunnen waterstof chemisch opslaan en later weer afgeven. Voordat industriële toepassing mogelijk is, zijn er nog belangrijke uitdagingen. Zo bevat het scheidingsmembraan palladium, een kostbaar materiaal. De onderzoekers proberen daarom de benodigde hoeveelheid palladium te verminderen en werken tegelijkertijd aan opschaling van het systeem.