Je leest:

Waterstofopslag beter met nanodeeltjes

Waterstofopslag beter met nanodeeltjes

Auteur: | 12 maart 2008

De Utrechtse chemicus Kees Baldé; heeft aangetoond dat waterstof efficiënt opgeslagen kan worden in nanodeeltjes. Dit opent de weg naar verbetering van waterstofopslag in auto’s. Baldé, die vandaag aan de Universiteit Utrecht promoveert, stelde vast dat 30 nanometer kleine deeltjes van het metaalhydride natriumalanaat gunstige opslag en vrijgave van waterstof laten zien.

Waterstof geldt als een beloftevol medium voor de opslag en het transport van energie. Als je het verbrandt, of er in een brandstofcel elektriciteit mee produceert, is water de enige ’afval’stof. Zo kun je op een hele schone manier een auto laten rijden. Als de waterstof ook nog eens op een duurzame manier is geproduceerd, bijvoorbeeld met behulp van zonne-energie, dan rijd je bovendien klimaatneutraal. De uitstoot van het broeikasgas CO2 uitstoot is dan nihil, terwijl auto’s op benzine of diesel per gereden kilometer al gauw 150 gram CO2 de lucht inblazen.

Deze week op de autosalon in Genève: Honda’s waterstofauto FCX Clarity.

Autofabrikanten werken hard aan waterstofauto’s. Op de deze week gehouden autosalon van Genève is Honda’s FCX Clarity voor het eerst in Europa te zien. Vanaf komende zomer is deze waterstofauto in Californië te leasen en later dit jaar is de auto ook voor Japan beschikbaar. Ook in Europa steken vrijwel alle gerenommeerde fabrikanten veel onderzoek en ontwikkeling in waterstofauto’s. Met name de Duitse fabrikanten zijn al behoorlijk ver: BMW heeft honderd van zijn topklasse auto’s uit de 7-serie uitgerust met verbrandingsmotoren voor waterstof. Mercedes evalueert het gebruik van brandstofcellen op waterstof voor de elektrische aandrijving van de kleinere B-serie auto’s.

Tank gauw leeg

Het laboratorium van de Utrechtse promovendus Kees Baldé staat letterlijk en figuurlijk ver van de R&D-centra van de automobielindustrie. Toch kan Baldé’s onderzoek van belang zijn voor toekomstige waterstofauto’s. Want er kleeft nog een belangrijk probleem aan rijden op waterstof: al na een paar honderd kilometer is de tank leeg. Dat is lastig, zeker zolang er nog niet bij elk tankstation een waterstofpomp is. Honda’s FCX Clarity doet het overigens nog niet eens zo slecht met een (geclaimde) actieradius van 430 kilometer; vaak wordt niet meer dan zo’n 250 kilometer gehaald.

Baldé deed onderzoek aan een veelbelovende techniek voor het vergroten van de opslagcapaciteit van waterstoftanks. Het is in essentie een chemische techniek, waarbij gebruik wordt gemaakt van een metaalhydride – een verbinding van waterstof met een metaal. Met die techniek is in hetzelfde tankvolume aanzienlijk méér waterstof mee te nemen.

Volume van 4 kilo waterstof, op verschillende manieren opgeslagen. De twee linkertanks zijn op basis van metaalhydriden. Illustratie naar Nature

Opslag in metaalhydride is al sinds de jaren zestig van de vorige eeuw onderwerp van onderzoek. Aanvankelijk werd het meeste succes geboekt bij hydriden van relatief zware metalen zoals palladium, nikkel en ijzer. Voor mobiele toepassingen had dat als onoverkomelijk obstakel dat een tank vele honderden kilo’s zou gaan wegen. Het onderzoek werd daarom verlegd naar hydriden van lichtere metalen.

Met name bij zogenaamde complexe metaalhydrides bleek het mogelijk het tankgewicht binnen aanvaardbare grenzen te houden. Het gaat dan om zouten van een lichtmetaal (zoals Li, Na, Mg) met alanaat (AlH4-), amide (NH2-) of boraan (BH4-).

In deze reeks blijkt vooral natriumalanaat (NaAlH4) geschikt, dat tot 5,6 gewichtsprocent waterstof kan opnemen. In de praktijk wordt een gewichtspercentage van minimaal 5% gehanteerd; een tank met 4 kg waterstof weegt dan niet meer dan 80 kilo.

Optimaliseren

In het spoor van vele wetenschappers vóór hem ging ook Kees Baldé aan het werk om de eigenschappen van natriumalanaat te onderzoeken en verbeteren. Daarbij ging het vooral om het optimaliseren van de omstandigheden bij de opname en de vrijgave van waterstof.

Chemisch gezien is er sprake van een reversibele (omkeerbare) chemische binding van het waterstof aan de metaalatomen. Tijdens de vorming van het hydride (de opslag van het waterstof) komt warmte vrij, terwijl voor het vrijmaken van de waterstof warmte toegevoerd moet worden.

In de praktijk is het belangrijk dat deze processen voldoende snel kunnen verlopen. De tank moet binnen een aanvaardbare tijd weer vol zijn en het waterstof moet voldoende snel worden vrijgegeven om de auto aan te kunnen drijven. Bovendien moet dat gebeuren bij een temperatuur die praktisch te hanteren is. En dat was aanvankelijk niet het geval: pas bij een combinatie van hoge druk (meer dan 200 bar) en dito temperatuur (boven 300 oC) had een tank op basis van natriumalanaat aanvaardbare prestaties.

In 1997 werd ontdekt dat door het gebruik van een titanium katalysator de opname- en vrijgave karakteristieken aanzienlijk waren te verbeteren. Later werd bovendien duidelijk dat nog een verdere verbetering was te bereiken door gebruik te maken van kleine deeltjes van de metaalhydride-katalysator combinatie.

Nanodeeltjes

Op dat onderzoekspad heeft Kees Baldé nu de volgende stap gezet. Met een nieuwe methode voor de vervaardiging van kleine deeltjes van het metaalhydride slaagde hij er in om een diameter te verkrijgen van enkele tientallen nanometers. Om deze kleine deeltjes stabiel te houden zette hij ze af op een dragermateriaal van koolstof nanovezels.

Opname met de rasterelektronenmicroscoop van natriumalanaatdeeltjes in een netwerk van koolstofnanovezels. De deeltjes zijn 10-30 nanometer groot. Foto: Universiteit Utrecht

Met de gebruikelijke techniek van het vermalen van het materiaal (het zogenaamde kogelmalen) worden de deeltjes nooit kleiner dan honderd nanometer doorsnede. De belangrijke vraag was nu of Baldé’s kleinere deeltjes ook betere karakteristieken vertoonden in de opname en vrijgave van waterstof. Dat bleek inderdaad het geval. Baldé kon laten zien dat deeltjes natriumalanaat van 30 nanometer zeer efficiënt waterstof opslaan. Hij stelde relatief milde condities vast voor optimale opslag van waterstof: 20 bar waterstofdruk en een temperatuur van 115 oC. Voor vrijgave (desorptie) van het waterstof uit de nanodeeltes bleek de optimale temperatuur 160 oC te bedragen.

Bij het toevoegen van de titaniumkatalysator blijkt waterstof nog efficiënter te worden opgeslagen en met name de vrijgavekarakteristiek blijkt dan aanzienlijk te verbeteren. De maximale desorptiesnelheid wordt dan bereikt bij 99 oC. Dat ligt ruim binnen het temperatuurgebied waarbij een brandstofcel werkt.

Baldé tekent bij zijn op zich hoopgevende resultaten overigens wel aan dat de praktische relevantie vooralsnog gering is. De combinatie van natriumalanaat met koolstofnanodraden is waarschijnlijk niet toepasbaar omdat de totale opslagcapaciteit voor waterstof te laag is. Zijn onderzoek toont vooral aan dat het verkleinen van de deeltjes tot nanometerniveau in principe werkt op het natriumalanaat modelsysteem waarover in de wetenschappelijke literatuur veel bekend is. Hij verwacht méér praktische relevantie van het maken van nanodeeltjes van andere metaalhydriden op koolstof nanodraden.

_Het onderzoek van Kees Baldé werd uitgevoerd binnen het programma Duurzaam Waterstof van ACTS (Advanced Chemical Technologies for Sustainability) onder leiding van prof. dr. ir. K. de Jong en prof. dr. F. Habraken. ACTS is het publiek-private samenwerkingsverband van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek op het gebied van duurzame chemie en katalyse._

Dit artikel is een publicatie van Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).
© Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 12 maart 2008

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.