Metal(-oxide) catalyst-monolayer as cost-effective electrocatalysts for PEM water electrolysis

Vannelektrolyse er en metode for å produsere hydrogen, et drivstoff, fra fornybar energi og med vann som råstoff. En av de mest kompakte og energieffektive vannelektrolyse-teknologiene, s.k. PEM-vannelektrolyse, forutsetter imidlertid katalysatorer basert på metallet iridium. Dette metallet er sjeldent (årsproduksjon på ca. 10 tonn på verdensbasis) og tilsvarende kostbart med en pris tilsvarende ca. 2000 ganger kiloprisen på biff. Det er derfor om å gjøre å lage katalysatorer som utnytter iridium-metallet på best mulig måte. Siden det bare er overflaten til iridium som har interesse for katalyse, er formålet med dette prosjektet å legge tynne sjikt av iridium på en overflate av et billigere materiale. Dette vil gi maksimal katalytisk aktivitet per gram iridium. Prosjektresultater: 1. Et billigere men bestandig substrat-materiale (et oksid eller et annet metall) belegges med kobber eller nikkel. 2. Kobberet eller nikkelet byttes ut med iridium i en såkalt galvanisk prosess, noenlunde tilsvarende den som får enkelte metaller til å korrodere ("ruste") når de settes i kontakt med andre metaller. 3. Siden substratmaterialet er valgt slik at det ikke kan byttes ut med iridium, vil prosessen fortsetter til det ikke er mer offer-metall (dvs. kobber eller nikkel) igjen på overflaten og så stoppe opp. 4. Tykkelsen på det resulterende iridium-sjiktet vil derfor være bestemt av tykkelsen på offermetall-sjiktet. 5. Benyttes nikkel vil resultatet bli et vilkårlig tykt nikkel og derfor også et vilkårlig tykt iridium-sjokt. Prosessen basert på nikkel er kjent fra tidligere. 6. Kobber kan imidlertid enkelt framsstilles som sjikt som bare er ett atomlag tykt. 7. Byttes dette sjiktet ut med iridium vil iridium-sjiktet bli tilsvarende tynt. 8. Galvanisk utvekling mellom iridium og kobber har ikke vært kjent fra tidligere, men er et resultat av NTNUs del av prosjektet. 9. Denne kunnskapen har blitt benyttet som input til SINTEFs del av prosjektet, som har bestått i å lage oksidiske materialer som inneholder kobber som offermetall. 10. En nanostrukturert katalysator basert på galvanisk utveksling av kobber (på metallsubstrat) og nikkel (på oksidisk substrat) for PEM-vannelektrolyse har blitt utviklet. 11. En rekke publikasjoner/manuskripter og en doktorgradsavhandling er under utarbeidelse. Et manuskript er innsendt. 12. Framstilling av Pt nanopartikler (som modellsystem) på en oksidisk bærer ved galvanisk utvekslingmed Cu, og iridium med nikkel. 13. Resultater vedr. effekten av stabilisering vhja. polyvinylpyrrolidon (PVP) for å skreddersy størrelse og størrelsesfordeling av Pt-katalysatorer på en oksidbærer. 14. Prosjektet har utdannet en doktorgradskandidat.

Virkninger for prosjektets deltagere: Prosjektets deltagere har lært seg en ny metode for framstilling av ultratynne belegg som kan benyttes også for andre typer anvendelser enn elektrokatalyse. Dette vil i sin tur danne grunnlag for nye søknader (EU og andre) og nytt samarbeid med katalysator-industrien. (Gupperingen er nylig tildelt et nytt katalysatorprosjekt.) Prosjektet har også utdannet en PhD kandidat som nå er ansatt i elektrokjemisk industri (batteri). NTNU er i ferd med å oppskalere metoden slik at det kan produseres katalytiske sjikt basert på katalysatorene utviklet det i prosjektet. Virkninger for brukere: Det har ikke verdt noen utførende partnere i prosjektet som representerer brukere. Effekten for brukere vil derfor i første omgang være knyttet til arbeid samarbeid i andre prosjekter. Lykkes framstillingen av katalysatorer på gram-skala vil vi kunne levere katalysatorer til brukere for uttesting på pilotskala.

Efficient water electrolysis is a requirement for a transition to a hydrogen-based energy system. Therefore, the MOxiLAYER project adresses the ENERGIX thematic area Energy use and conversion directly by contributing to a potential reduction in the capital costs and an increase in the energy efficiency of PEM water electrolysers for production of hydrogen from renewable electricity. This project deals with water electrolysis with proton-conducting membranes. Due to the acidic conditions in these membranes the oxygen evolution reaction at the anode is slow and requires use of expensive and scarce materials for electrocatalysts which will hamper the use of this otherwise efficient technology. Thus, the project introduces new concepts in the development of highly active electrocatalysts for PEM electrolysers and will lead to a potential 75% reduction of the use of platinum group metals compared to the state of the art PEM electrolysers. The project draws on recent experimental and theoretical progress to solve this problem by designing and implementing catalyst architectures of ultra-high catalyst utilization. Among other things, work performed at NTNU and SINTEF indicates that the relevant metal oxide catalysts applied as thin catalyst surface layers on an appropriate substrate will be largely unaffected by the exact nature of the substrate, and that these segregated structures will perform as well as the corresponding bulk catalyst made of the surface layer material. The project thus pursues the use of wet-chemical synthesis techniques, suitable for up-scaling, to achieve catalyst architectures such as MOx@IrO2 core@shell catalysts based on iridium oxide shells and a conducting oxide cores. This will be combined with advanced characterization techniques for verification of the structures as well as their implementation in electrolysis cells in test stations at the Norwegian Fuel Cell and Hydrogen Centre.