Nanomateriaal maakt kostefficiënte productie van waterstof mogelijk

Onderzoekers van imec en KU Leuven hebben een superporeus en compact nanomateriaal ontwikkeld dat efficiëntere elektrochemische reacties mogelijk maakt. Dit helpt om kostefficiënte productie van waterstof door elektrolyse mogelijk te maken.

De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Materials Today Energy.

De cruciale reactie in een elektrolyser speelt zich af aan het oppervlak van de elektrodes. Hoe poreuzer het elektrodemateriaal, hoe efficiënter het waterstofgas uit de reactieoppervlakken kan weggevoerd worden. Het nieuwe materiaal is niet alleen uiterst poreus, maar perst ook een uitzonderlijk groot reactief oppervlak samen in een klein volume (26 m²/cm³). Het materiaal is opgebouwd uit draden van 40 nanometer dun en ziet er onder de elektronenmicroscoop uit als een driedimensionaal kippengaas.

Tot voor kort moest het nanomateriaal nog ondersteund worden door een niet-poreuze drager. Die zorgde voor de nodige robuustheid, maar belemmerde de instroom van reagentia en de uitstroom van waterstofgas, waardoor het enorme potentieel van het nanomateriaal onderbenut werd. Nu slaagden de onderzoekers erin om deze drager volledig open te maken met een poreuze structuur die van alle kanten toegankelijk is. Op basis daarvan ontwikkelden ze een nikkel-elektrode, waarmee ze experimenteel aantoonden dat de bijna volledige theoretische oppervlakte ook effectief benut wordt tijdens de elektrochemische reacties. Hoe meer stroom je door een elektrolysecel stuurt, hoe meer waterstof er gevormd wordt, maar ook hoe hoger de verliezen in energie-efficiëntie. Het nanomateriaal komt aan dat probleem tegemoet: in vergelijking met conventionele nikkel-elektrodes kunnen ze tientallen keer hogere stroomdichtheden verwerken voor dezelfde energie-efficiëntie. Daardoor levert het nanomateriaal een hoger rendement op dan gangbare poreuze alternatieven.