Sjældent metal er en hæmsko for at bruge brint som brændstof til den grønne omstilling

  • Sapere Aude: DFF-forskningsleder

Når vand spaltes, kan det blive en lettilgængelig kilde til brint. Der er dog behov for, at processen forløber så effektivt som muligt, så længe som muligt. Det hjælper iridium med, men da det samtidig er et sjældent grundstof, vil et nyt forskningsprojekt se på, om det er muligt at bruge mindre af det.

Nærbillede af iridium, som er et sølvlignende metal i klumper på sort baggrund
Iridium. Adobe Stock

Videnskaben har kendt til muligheden for at spalte vand til ilt og brint i mere end 200 år. I moderne tid er vand som kilde til brint ikke mindst vigtig som et led i den grønne omstilling, hvor brint kan få en vigtig rolle i at omstille den kemiske industri til en bæredygtig industri.

»Især hvis man bruger vedvarende energi til det. Så har man strøm fra vedvarende kilder og vand til at producere brint, og det kan så bruges til at fremstille alt muligt andet. Eksempelvis brændstof eller kunstgødning,« uddyber Rebecca Pittkowski, adjunkt på Kemisk Institut på Københavns Universitet.

Imidlertid er der forskellige grunde til, at spaltningen af vand til ilt og brint endnu ikke spiller en stor rolle inden for den grønne omstilling. En af dem er, at processen kræver en katalysator, og den bedste, man kender til, er iridiumoxid. Men iridium er samtidig et af klodens sjældneste grundstoffer. Kan vi nøjes med at bruge mindre af det? 

Det vil Rebecca Pittkowski undersøge. Hun har modtaget en Sapere Aude-bevilling fra Danmarks Frie Forskningsfond som støtte til arbejdet.  

Tager et røntgenbillede af processen

Iridiums nøglerolle er, at metallet sikrer stabilitet til processen. Så hvis man skruer ned for mængden af iridium, er katalysatoren ikke længere robust nok. Det betyder, at processen bruger mere og mere elektrisk strøm, og at brintproduktionen ikke kan garanteres over en tilstrækkelig lang årrække. 

Derfor vil Rebecca Pittkowski bogstavelig talt danne et røntgenbillede af processen. Så mens processen forløber, vil den blive bestrålet med røntgenstråler for at give et nuanceret billede af, hvad der foregår på mikroskopisk og atomar skala.

Her får hun og den øvrige projektgruppe, som kommer til at bestå af to ph.d.-studerende, hjælp fra det center for elektrontronacceleration, som Lund Universitet i Sverige råder over, kaldet MAX IV.

Indsigt kan måske også bruges til andre former for katalyse

Alt i alt kommer projektet til at strække sig over fire år.

»Jeg håber, at vi til den tid har fundet en katalysator, hvor vi bruger meget mindre iridium, end der er brug for lige nu. Det kan blive et stort bidrag til grønne omstilling,« siger Rebecca Pittkowski og tilføjer:

»Jeg vil også gerne forstå de processer, som gør, at vi får mindre effektivitet gennem brug af katalysatoren, så spaltningen af vandet bliver mindre effektiv. Altså den rigtig dybde forståelse af stabiliteten eller ustabiliteten af katalysatormaterialer. Så kan man nemlig også kigge på nogle andre reaktioner end lige netop vandspaltning og se, hvordan vi kan kombinere de forskellige røntgenkarakteriseringsmetoder og bruge det til at forstå katalyse.«

Illustration af en PEM-elektrolysator, hvor der ses forskellige lag og O2, H2O og H2 kommer henholdsvis ind og ud af membranen
Illustration: Rebecca Pittkowski

Billedforklaring: En PEM-elektrolysator (proton exchange membrane) indeholder en stak af membran-elektrode-enheder. I hver enhed findes en positiv og negativ elektrode (anode og katode), som er adskilt af polymermembranen. Ved anoden omdannes vand til ilt. Protonerne (H+) vandrer gennem membranen, og der produceres derefter brint ved katoden.   
Det mest komplekse trin i denne proces, som også kræver mest elektricitet, er udviklingen af ilt. En katalysator af iridiumoxid bruges til at fremskynde denne proces.

Fakta: Iridium er nøglen

Selve spaltningen af vandet foregår i et kammer, normalt omtalt som en celle, som er opdelt i to dele, adskilt af en membran. Der bliver sat strøm til vandet, så der bliver frigivet ilt i den ene halvdel af cellen og brint i den anden.

For at kunne spalte vand til ilt og brint er der behov for en katalysator, som stabiliserer processen og mindsker behovet for elektrisk strøm mest muligt.

I dag anses iridiumoxid for at være den bedste katalysator. Men da iridium er et sjældent metal, bliver der i dag kun udvundet cirka syv ton af det om året på verdensplan. Til sammenligning vil det kræve omkring 2,5 ton iridium alene i Danmark at opnå vores strategi på området indtil 2030, kendt som Power-to-X-strategien.