Onderzoekers hebben een baanbrekende ‘hybride’ elektrolysemethode ontwikkeld die een al lang bestaande inefficiëntie in de productie van schone energie oplost: de verspilling van energie aan zuurstof met een lage waarde. Door de wateroxidatie te vervangen door de oxidatie van glycerol, produceert het nieuwe proces naast waterstof ook hoogwaardige chemicaliën, waardoor het hele systeem economisch levensvatbaarder en energiezuiniger wordt.
Het probleem met traditionele elektrolyse
Bij standaard waterelektrolyse wordt elektriciteit gebruikt om watermoleculen in twee componenten te splitsen: waterstof en zuurstof. Hoewel waterstof een zeer gewilde schone brandstof is, wordt zuurstof vaak slechts als een bijproduct met weinig commerciële waarde behandeld.
Het fundamentele probleem is de energiedistributie. Alleen al om deze zuurstof te genereren wordt een aanzienlijk deel van de elektriciteit die nodig is voor elektrolyse verbruikt. In een industrie die streeft naar maximale efficiëntie, is het ‘verspillen’ van energie aan laagwaardig gas een grote economische en thermodynamische hindernis.
Een slimmere aanpak: glyceroloxidatie
Om dit aan te pakken is een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van de Johannes Gutenberg Universiteit, Mainz en de National Taiwan University of Science and Technology overgestapt van water naar glycerol.
Glycerol is een enorm bijproduct van de productie van biodiesel, wat betekent dat het zowel overvloedig als goedkoop is. Wat nog belangrijker is, is dat het chemisch “gemakkelijker” te manipuleren is dan water.
“Vanuit energieperspectief is glycerol gemakkelijker te oxideren dan water, dus er is minder elektriciteit nodig”, legt Soressa Abera Chala uit, een postdoctoraal onderzoeker aan de Johannes Gutenberg Universiteit.
Door de reactie om te schakelen produceert het systeem geen ongewenste zuurstof meer. In plaats daarvan zet het glycerol om in waardevolle, op koolstof gebaseerde chemicaliën, zoals formiaat, terwijl het tegelijkertijd waterstof produceert. Dit transformeert een proces met veel afval in een productiemodel met twee stromen: schone brandstof plus industriële chemicaliën.
Precisietechniek: de katalysator op één locatie
Het succes van deze hybride methode is afhankelijk van een geavanceerde nieuwe katalysator. Traditionele katalysatoren maken gebruik van clusters van metalen nanodeeltjes, maar deze zijn vaak inefficiënt omdat veel van de metaalatomen in het cluster “begraven” zijn en niet in staat zijn deel te nemen aan de reactie. Dit kan ook leiden tot ‘katalysatorvergiftiging’, waarbij ongewenste chemische reacties het materiaal beschadigen.
De onderzoekers hebben dit opgelost door een “single-site katalysator” te ontwerpen:
– Atomische precisie: In plaats van klonten worden individuele metaalatomen verspreid over een oppervlak, waardoor elk afzonderlijk atoom actief en productief is.
– Dual-Metal Synergy: Het team gebruikte twee verschillende metalen: palladium (Pd) om de zuurstofchemie te beheren en koper (Cu) om koolstoftussenproducten te stabiliseren.
– Verbeterde duurzaamheid: Deze combinatie voorkomt de vorming van “vergiftigende” soorten en houdt de katalysator stabiel. Tijdens tests behield het systeem zijn structuur en activiteit gedurende meer dan 144 uur continu gebruik.
Hoogwaardige resultaten en toekomstig potentieel
De efficiëntie van dit proces is opvallend. Onder geteste omstandigheden bereikte de reactie een efficiëntie van 83% bij het produceren van formiaat. Formaat is een zeer veelzijdige industriële chemische stof die wordt gebruikt in:
– Ontdooivloeistoffen
– Boorwerkzaamheden
– De productie van mierenzuur (essentieel voor textiel, landbouw en chemische productie)
De implicaties van dit onderzoek reiken veel verder dan glycerol. Professor Carsten Streb suggereert dat deze ‘dual-atom’-strategie – het dicht bij elkaar plaatsen van twee complementaire afzonderlijke atomen om de complexe chemie te controleren – kan worden toegepast op andere uit biomassa afkomstige moleculen zoals alcoholen en suikers.
Het pad naar industriële schaal
Hoewel de laboratoriumresultaten veelbelovend zijn, wordt de overgang naar industrieel gebruik met verschillende hindernissen geconfronteerd. De overstap van een gecontroleerde laboratoriumomgeving naar een enorme productie-installatie vereist:
1. Opschaling van de productie van deze specifieke single-site katalysatoren.
2. Testen onder reële omstandigheden met onzuivere, praktische grondstoffen in plaats van chemicaliën van laboratoriumkwaliteit.
3. Stabiliteitstests op lange termijn om er zeker van te zijn dat de katalysator maanden of jaren van continu gebruik kan weerstaan.
Conclusie
Door de zuurstofproductie te vervangen door de oxidatie van overvloedige glycerol, hebben onderzoekers een efficiënter elektrolysesysteem voor twee doeleinden gecreëerd. Deze vooruitgang biedt een blauwdruk voor het omzetten van duurzame energieprocessen in zeer winstgevende chemische productiecentra met meerdere producten.
