En katalysator til spaltning af vand holder længst tæt på frysepunktet, viser et nyt studie offentliggjort i Nature Chemistry 21. oktober. Forskerne har fundet et temperaturvindue, hvor nedbrydningen af mangandioxid bremses mere end den nyttige reaktion, der danner ilt.

Resultatet vender ikke op og ned på al elektrolyse, men peger på en usædvanlig måde at forbedre en katalysators holdbarhed på: at ændre temperaturen frem for selve materialet. Og der er en vigtig grænse. Under nul grader begynder nedbrydningen at tage fart igen i den væske, som endnu ikke er frosset.

Forsøg fra varmt vand til minusgrader

Holdet omkring Aufandra Cakra Wardhana og Ryuhei Nakamura undersøgte mangandioxid i en vandig elektrolyt med svovlsyre. Ifølge forskningsinstituttet RIKEN varierede forsøgene temperaturen fra 80 til minus 12 grader. Forskerne fulgte både iltdannelsen og dannelsen af permanganat, som opstår, når mangan forlader katalysatoren.

Ved lavere temperatur gik begge processer langsommere, indtil temperaturen nærmede sig nul. Men materialets opløsning blev bremset kraftigere end iltdannelsen. Forsøg med en konstant strømtæthed på 100 milliampere pr. kvadratcentimeter bekræftede, at levetiden var længst omkring dette punkt.

RIKEN beskriver også målinger med Raman-spektroskopi, som viste ændringer i vandets struktur under nul grader. Væsken var underafkølet: Den forblev flydende, selv om temperaturen var under frysepunktet. Ved minus otte grader kunne en mekanisk påvirkning udløse isdannelse. Forskerne forbinder den ændrede nedbrydning med denne særlige tilstand af vandet.

Hvorfor ilt betyder noget for brint

Elektrolyse bruger elektricitet til at dele vand i brint og ilt. Det amerikanske energiministeriums tekniske forklaring beskriver et anlæg med to elektroder og en elektrolyt, der transporterer ioner mellem dem. Reaktionerne ved begge elektroder skal fungere, for at den samlede proces kan fortsætte.

Selv når brinten er det ønskede produkt, er iltsiden derfor afgørende. En forbedring dér kan være relevant for hele processen. Men en måling på iltkatalysatoren fortæller ikke alene, hvor meget strøm et komplet anlæg vil bruge på at fremstille et kilo brint.

Temperaturen varierer allerede meget mellem elektrolyseteknologier. Energiministeriet angiver typisk omkring 70–90 grader for PEM-elektrolyse, hvor en polymermembran leder protoner. Det nye forsøg tæt på nul ligger dermed i et andet driftsområde. Det er ikke en anvisning på, at eksisterende anlæg uden videre bør køles ned.

Holdbarhed er kun ét af kravene

For at vurdere et materiales potentiale skal man se på flere mål samtidig. Energiministeriets udviklingsmål for PEM-elektrolyse omfatter både ydelse, strømforbrug, nedbrydning, levetid og omkostninger. Tabellen skelner desuden mellem selve stakken af elektrolyseceller og det samlede system omkring den.

Det er en nyttig sondring i denne sag. Et materiale kan blive mere holdbart, mens den nyttige reaktion samtidig bliver langsommere. I en praktisk konstruktion kan det påvirke, hvor stort et elektrodeareal der kræves for en bestemt produktion. Den afvejning kan ikke afgøres ud fra temperaturens effekt på levetiden alene.

Kølingen skal med i regnskabet

Britiske miljømyndigheders tekniske vejledning om brintproduktion fremhæver, at energiforbruget skal vurderes for hele anlægget. Ud over elektrolysecellerne indgår blandt andet kompression, rensning, pumper og ventilatorer. Vejledningen peger også på kølebehov og muligheder for at genvinde varme.

For en mulig anvendelse af den nye metode rejser det et konkret spørgsmål: Hvor meget energi kræver det at holde systemet nær nul grader under drift? Svaret vil afhænge af anlægget og omgivelserne. Længere katalysatorlevetid og lavere samlet energiforbrug er to forskellige resultater, som skal dokumenteres hver for sig.

Det vil også kræve nye forsøg at afgøre, om andre katalysatorer får en tilsvarende fordel, eller om deres optimale temperatur ligger et andet sted.

Studiet giver derfor først og fremmest en ny variabel at arbejde med i udviklingen af katalysatorer. Temperaturen kan påvirke den ønskede reaktion og materialets nedbrydning forskelligt. Den næste praktiske opgave bliver at undersøge, om fordelen kan bevares i et større system, hvor produktion, køling og holdbarhed bliver målt sammen.

Kilder og videre læsning

Har du fundet en fejl? Læs om rettelser.