Unikt nyt materiale forlænger levetiden af grønne brintanlæg

Grøn brint er gentagne gange blevet udpeget som en nøglebrik i klimamålene for 2030 og 2050 – men kun hvis teknologien kan holde til drift i stor skala. Brinten forventes at overtage noget af den rolle, som kul, olie og gas i dag spiller i blandt andet skibsfart og stålproduktion – blot uden at frigive drivhusgassen CO₂ til atmosfæren.

For at det kan ske, skal brinten fremstilles direkte af vand og elektricitet i stor skala – i store industrielle systemer, hvor strøm fra vind og sol driver spaltningen af vand til brint og ilt, i maskiner kendt som elektrolysatorer.

På papiret lyder det enkelt. I praksis er teknologien endnu ikke robust nok til at levere de mængder grøn brint, som klimamålene kræver.

Netop den flaskehals har en forskergruppe fra Kemisk Institut ved Helsingfors Universitet i Finland taget fat i. I et nyt studie har holdet, ledet af professor i uorganisk materialekemi Pedro H. C. Camargo, udviklet en ny type elektrodebelægning, der er både mere aktiv og mere holdbar end nutidens kommercielle referencekatalysatorer baseret på rutheniumoxid (RuO₂) og iridiumoxid (IrO₂), som blev brugt som direkte sammenligningsgrundlag under identiske forsøgsbetingelser.

Inde i de maskiner, der splitter vand til brint og ilt, afhænger meget af nogle få, tynde belægninger på elektroderne. De fungerer som arbejdsflader, hvor vandmolekylerne kan sætte sig fast, blive trukket fra hinanden og sendt videre som brint og ilt.

“I mange elektrolysator-designs er den iltdannende katalysatorbelægning på anoden en af de mest krævende komponenter. Den arbejder under hårde elektrokemiske forhold og har stor betydning for både effektivitet og holdbarhed, så forbedringer her er en direkte måde at sænke omkostninger og øge driftssikkerheden,” siger Pedro H. C. Camargo.

Klimamål presser forskerne væk fra sjældne metaller

De mest effektive iltdannende belægninger, der bruges i dag, er ofte baseret på iridium – et af de sjældneste metaller på kloden, udvundet i få lande og i mængder, der slet ikke matcher det behov, der vil opstå, hvis grøn brint skal skaleres globalt.

Samtidig har forskere længe været opmærksomme på et paradoks: Rutheniumoxid kan være endnu mere aktivt, men går også hurtigere i opløsning. Spørgsmålet, holdet satte sig for at besvare, var derfor, om man kunne udnytte rutheniums høje aktivitet uden samtidig at arve dets svagheder.

Forskerne byggede derfor videre på et materiale, der består af metallet ruthenium bundet til ilt: rutheniumoxid. I sig selv er det meget effektivt til at hjælpe vand med at frigive sin ilt, men som Camargo forklarer, tåler det ikke de hårde forhold under drift særligt godt.

I laboratorietests, der var designet til at efterligne driftsforhold, tilsatte Camargo og hans kolleger tre mere almindelige metaller – mangan, kobolt og nikkel – i og omkring rutheniumoxidet og styrede nøje, hvordan de forskellige komponenter fordelte sig i bittesmå strukturer.

Målet var, at de ekstra metaller skulle støtte rutheniumet, så det forblev lige så aktivt, men samtidig blev mere modstandsdygtigt over for slid og nedbrydning i praksis. Camargo beskriver tilgangen som et forsøg på at gøre et i forvejen meget aktivt materiale egnet til hverdagsbrug i mere realistiske elektrolysesystemer – i stedet for kun at lade det brillere under ideelle laboratorieforhold.

“I mange elektrolysedesigns er den iltdannende katalysatorbelægning på anoden en af de mest krævende komponenter. Den arbejder under hårde elektrokemiske forhold og har stor betydning for både effektivitet og levetid, så forbedringer her er en direkte vej til at sænke omkostningerne og øge driftssikkerheden,” siger Pedro H. C. Camargo.

Hvor vandspaltningen bryder sammen

Den mest udfordrende del af vandspaltningen er det trin, hvor vandmolekylerne skal frigive deres ilt – og det er netop her, systemerne typisk mister både effektivitet og levetid.

Forskere kalder dette trin for iltudvikling – det punkt, hvor ilten frigives fuldt ud fra vandet og forlader elektroden som et iltmolekyle. Det er derfor ikke hele vandspaltningen, men netop dette ilt-trin – styret af den tynde, iltdannende belægning på anoden – som forskerne har forsøgt at forbedre med det nye materiale.

Rutheniumoxid er allerede blandt de mest effektive materialer til at hjælpe ilten fri i denne reaktion. Det kan ses som et særligt effektivt stillads, hvor vandets byggeklodser kan sætte sig, blive omorganiseret og til sidst frigives som ilt.

En ideel katalysator – der ikke holder

Problemet er, at stilladset ikke holder længe nok i den kemiske virkelighed inde i en elektrolysecelle. Under høje spændinger og i meget sure eller basiske væsker begynder rutheniumet langsomt at gå i opløsning.

I stedet for blot at tilsætte endnu et materiale og håbe på det bedste valgte gruppen en mere kontrolleret strategi. Med udgangspunkt i rutheniumoxidet introducerede de små mængder af tre andre metaller – mangan, kobolt og nikkel – placeret omkring de aktive steder. Tilsammen ændrer disse tilsætninger, hvordan materialet leder elektricitet, hvor små defekter og forvrængninger opstår i krystalgitteret, og hvordan midlertidige iltholdige mellemprodukter fra vandet binder sig til og frigøres fra overfladen.

Den grundlæggende idé er, at disse ilt-mellemprodukter hverken må binde for stærkt eller for svagt. De skal blive siddende længe nok til, at reaktionen kan forløbe, men frigives igen, før overfladen blokeres. Sidder de for fast, går processen i stå. Sidder de for løst, når reaktionen aldrig rigtigt når at komme i gang. Med den nye blanding - multimetal-dopet materiale - forsøger forskerne at ramme et mere passende greb om ilten, så netop iltdelen af vandspaltningen glider lettere - uden at belægningen selv bryder lige så hurtigt ned som før.

Det afgørende er, hvor materialerne mødes

Selve materialet blev fremstillet som et fint pulver. Først blev metalforbindelser deponeret på små kulstofpartikler, som fungerede som et midlertidigt stillads. Blandingen blev derefter opvarmet i luft, så kulstoffet brændte væk. Tilbage stod et pulver af metaloxider, som blev vasket i syre. Det fjernede de mest ustabile komponenter og efterlod de stærkere og mere aktive overflader.

I stedet for at danne én ensartet krystal resulterede processen i et materiale bestående af flere tydeligt adskilte områder: et gitter af rutheniumoxid, let forvrænget af de tilsatte metaller, små klumper af manganoxid og zoner, hvor kobolt og nikkel havde organiseret sig i en mere stabil krystalstruktur.

Resultaterne peger på en vigtig rolle for overgangene mellem disse områder – grænsefladerne – hvor forskellige materialer mødes, og hvor elektroner og reaktionsprodukter lettere kan skifte retning.

Her mødtes to slags metaloxider – altså metaller, der er bundet til ilt – og resultaterne tyder på, at den elektriske ladning i materialet forskydes en smule.

Det påvirker til gengæld, hvor fast de midlertidige reaktionsprodukter fra vandet binder sig til overfladen – og om de frigives igen på det rette tidspunkt. I det nye materiale lykkedes det forskerne at ramme en bedre balance.

“Vi ville væk fra tilfældige blandinger og hen imod noget, der er designet til at udnytte grænsefladerne mellem faserne. Arbejdet peger på, at selve kontakten mellem forskellige oxidfaser kan være lige så vigtig som den gennemsnitlige kemiske sammensætning – et synspunkt, der vinder frem i materialeforskning, hvor man i stigende grad designer funktionelle grænseflader frem for ensartede materialer,” siger Pedro Camargo.

Materialets svaghed blev dets styrke

For at teste, om den nye blanding faktisk gjorde en forskel, målte holdet, hvor meget ekstra spænding der skulle til for at drive en bestemt strøm gennem elektroden, mens der dannedes ilt. Denne ekstra spænding kaldes overpotentiale – den ekstra “bakke”, elektronerne skal op ad, før ilt kan dannes – og er et standardmål i elektrolyseforskning til at sammenligne, hvor effektivt forskellige katalysatorer driver iltudviklingsreaktionen under de samme betingelser.

Målt på den måde klarede det nye materiale sig bedre end både kommercielle RuO₂- og IrO₂-referencekatalysatorer under de samme forsøgsbetingelser. For at få en standardstrøm gennem cellen skulle der mindre ekstra spænding til. Da forskerne skruede op for strømmen, steg spændingen også langsommere end man normalt ser.

Effekten kan sammenlignes med en cykeltur. På en rute med mange små og store bakker bliver man hurtigt træt. På en vej, hvor bakkerne er jævnet ud, kan man køre længere og hurtigere for de samme kræfter. Den nye blanding havde en tilsvarende effekt på de elektroner og ioner, der skal flyttes gennem materialet for at danne ilt.

Fra lovende målinger til systemtest

Den vigtigste test blev imidlertid udført i en komplet laboratorieopstilling. Forskerne anvendte materialet som den iltdannende elektrode i et system med basisk membran – en type elektrolyse, der adskiller sig fra de klassiske, sure systemer ved at kunne fungere med færre ædle materialer og derfor anses som særlig relevant for billigere, storskala produktion, som i dag ofte er afhængig af iridium.

Her viste materialet, at det ikke kun så lovende ud i målinger. Selv om opstillingen fortsat var i laboratorieskala, kunne den levere strømtætheder i et område, der anses for industrielt relevant, og den kunne køre i mere end 100 timer – over fire døgn – med kun en svag stigning i spændingen over tid.

“Vi er opmuntrede over, at katalysatoren klarede sig godt både i klassiske laboratoriemålinger og i en elektrolyseopstilling med basisk membran over 100 timer. Det er stadig et stykke fra kommerciel anvendelse, men det er et vigtigt skridt i retning af den holdbarhed, industrien har brug for,” siger Pedro Camargo.

Fra laboratorieløfte til virkelighedens krav

Over fire døgns stabil drift er imponerende for et laboratoriemateriale – netop fordi begrænset levetid hidtil har været den væsentligste flaskehals for grøn brint. Alligevel er der stadig langt op til de mange tusind timer, som et kommercielt anlæg skal kunne køre.

I de forsøg, der er rapporteret her, arbejdede systemet under relativt rolige forhold, mens virkelige anlæg skal kunne håndtere hyppige start-stop-cyklusser, belastningsudsving og urenheder i vandet.

Camargo og hans kolleger er opmuntrede over, at materialet kan levere effektniveauer, der er relevante for industrien, uden hurtigt at bryde sammen. Samtidig ser de næste skridt som at presse det længere – tættere på hverdagens driftsmønstre.

Længerevarende tests planlægges derfor nu med større systemer og mere realistiske driftsbetingelser, kombineret med målinger, der følger materialet, mens det splitter vand. Parallelt med det vil forskerne undersøge, om den samme designstrategi – med flere hjælpemetaller og bevidst designede grænseflader – kan anvendes på andre katalysatorsystemer.

Hvorfor holdbarhed er afgørende for klimaet

For Camargo er det bredere spørgsmål, hvor meget grøn brint i sidste ende kan flytte det samlede CO₂-regnskab i industri og tung transport.

“Hvis grøn brint skal gøre en reel forskel for klimaet, skal den ud af pilotanlæg og ind i normal drift,” understreger han.

Det er netop derfor, arbejdet med den iltdannende belægning er så vigtigt: Den er afgørende for, om elektrolyseanlæg kan køre længe nok til at blive skaleret fra pilotprojekter til industriel anvendelse.

“Jo mere robuste og ressourceeffektive vi kan gøre materialerne, desto større er chancen for, at store anlæg faktisk bliver bygget – og at de kan levere de CO₂-reduktioner, vi har brug for.”