Waterstofopslag beter met nanodeeltjes

Waterstofopslag beter met nanodeeltjes
Kennislink.nl, 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 7serie uitgerust met verbrandingsmotoren voor waterstof. Mercedes evalueert het gebruik van brandstofcellen op waterstof voor
de
elektrische
aandrijving
van
de
kleinere
B-serie
auto's.
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.
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.
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.