Nieuwe materiaalcombinatie verdubbelt waterstofproductie bij gelijk stroomverbruik

Soms zit de grootste technologische vooruitgang niet in een nieuw materiaal, maar in de wisselwerking tussen bestaande materialen. Dat blijkt uit nieuw RUG-onderzoek, waar een bijzondere combinatie van keramische materialen en nanodeeltjes de waterstofproductie verdubbelt. De ontdekking laat zien hoe het optimaliseren van materiaalgrensvlakken elektrolysers aanzienlijk efficiënter kan maken.

Waterstof wordt momenteel nog altijd grotendeels geproduceerd uit fossiele brandstoffen. Een veelbelovende elektrolyse-techniek hiervoor is de Protonic Ceramic Electrolyser Cell (PCEC), die bij relatief hoge temperaturen werkt en daardoor geschikt kan zijn voor integratie in industriële processen. Bij deze techniek wordt waterdamp in plaats van vloeibaar water gebruikt. De damp wordt gesplitst, waarna positief geladen waterstofionen (protonen) door een keramisch membraan bewegen. Aan de andere kant nemen ze elektronen op en vormen ze waterstofgas. Het membraan zorgt ervoor dat de geproduceerde waterstof gescheiden blijft van de overige stoffen.

Wisselwerking

Een belangrijke uitdaging is om de waterdamp zo efficiënt mogelijk te splitsen. Onder leiding van onderzoeker Vassilis Kyriakou ontwikkelde een team van de Rijksuniversiteit Groningen hiervoor een nieuw materiaal met een nanostructuur, dat aan de waterdampzijde van het membraan wordt aangebracht. De onderzoekers ontdekten dat de combinatie van dit materiaal met het juiste keramische membraan een bijzondere wisselwerking oplevert. Hierdoor verloopt de elektrochemische reactie aanzienlijk efficiënter dan wanneer de materialen afzonderlijk worden beoordeeld.

Het nieuwe materiaal maakt gebruik van nanodeeltjes van praseodymiumoxide – een verbinding van praseodymium en zuurstof -, waarbij de vorming van deze deeltjes wordt beïnvloed door processen op het grensvlak tussen de verschillende materialen. Juist deze interactie blijkt bepalend voor de verbeterde prestaties. Door de materialen op elkaar af te stemmen, slaagden de onderzoekers erin de waterstofproductie te verdubbelen ten opzichte van eerdere PCEC-systemen, zonder het elektriciteitsverbruik te verhogen.

Daarnaast demonstreerden zij dat de elektrolyser gedurende ten minste 500 uur stabiel kon functioneren. Dat is een belangrijke stap, omdat naast de efficiëntie ook de levensduur van materialen een rol speelt bij de praktische toepassing van elektrolysers. De verbeterde materiaalcombinatie biedt daarmee perspectief voor een hogere waterstofopbrengst zonder evenredige toename van het elektriciteitsverbruik.