MIT haalt waterstof uit ammoniak met nieuwe elektrochemische methode

Ammoniak lijkt een onwaarschijnlijke kandidaat voor de waterstofeconomie, maar de vloeibare stof is juist populair omdat hij makkelijk op te slaan en te vervoeren is. Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben nu een efficiëntere manier ontwikkeld om die ammoniak weer om te zetten in zuivere waterstof. Hun elektrochemische techniek werkt bij een veel lagere temperatuur dan gangbare methoden en levert meteen een schone waterstofstroom op, zonder dat er een aparte zuiveringsstap nodig is.

Ammoniak als tussenstation voor waterstof

Waterstofgas is lastig te vervoeren: het moet worden samengeperst of vloeibaar gemaakt, wat veel energie kost. Ammoniak (NH3) is daarentegen al een gangbaar handelsproduct dat wereldwijd over lange afstanden wordt getransporteerd. Daarom zien wetenschappers en de industrie het molecuul als een aantrekkelijke drager: je maakt ammoniak op de ene plek, vervoert het als vloeistof, en haalt er op de plek van bestemming de waterstof weer uit. Dat laatste proces heet ammoniakkraken en vereist normaal gesproken temperaturen boven de 500 graden Celsius. Bovendien blijft er na het kraken een mengsel van waterstof, stikstof en restammoniak over, dat nog gezuiverd moet worden voordat de waterstof bruikbaar is voor bijvoorbeeld een brandstofcel.

Elektriciteit als aanjager en zeef tegelijk

Het team onder leiding van scheikundige Yogesh Surendranath ontdekte een manier om dat proces te versnellen én meteen te zuiveren, door er elektriciteit aan toe te voegen. In hun opstelling breekt eerst een katalysator van ruthenium en cesium de ammoniak af. De vrijgekomen waterstof komt vervolgens in contact met een dun membraan van het metaal palladium, dat alleen waterstof doorlaat. Aan de andere kant van dat membraan bevindt zich een gesmolten hydroxide-elektrolyt. Door daar een elektrische spanning overheen te zetten, ontstaat een soort 'zuigkracht' die de waterstof actief door het membraan trekt. Het gas wordt daarbij omgezet in protonen en elektronen, die apart door de elektrolyt en een externe stroomkring reizen om aan de andere kant weer samen te smelten tot zuiver waterstofgas. Omdat alleen waterstof door het membraan komt, is er geen aparte zuiveringsstap meer nodig. Het continu wegzuigen van waterstof duwt bovendien de scheikundige reactie, de dehydrogenering, verder door, ook als de aanwezigheid van waterstof die reactie normaal juist zou afremmen. Daardoor kan het hele proces al bij 200 tot 300 graden Celsius verlopen, ruim 200 graden lager dan bij klassiek ammoniakkraken.

Van laboratorium naar transport en chipfabrieken

De onderzoekers - met als eerste auteur Rui Zeng, destijds postdoc aan MIT en inmiddels hoogleraar materiaalkunde aan het Harbin Institute of Technology in Shenzhen - publiceerden hun bevindingen in het tijdschrift Nature en testten de methode niet alleen op ammoniak maar ook op methylcyclohexaan, een zogeheten vloeibare organische waterstofdrager. Curtis Berlinguette, hoogleraar aan de University of British Columbia die niet bij het onderzoek betrokken was, noemt de aanpak 'een krachtige nieuwe manier' om zuivere waterstof uit dragermoleculen te halen. Volgens hem opent de techniek een geloofwaardig pad om waterstof in stabiele chemische vorm te vervoeren en pas vrij te maken waar en wanneer die nodig is. Mogelijke toepassingen liggen bij transport, zoals auto's, bussen en schepen op waterstof, en in de halfgeleiderindustrie, waar zuivere waterstof wordt ingezet om productierendementen te verhogen en oppervlaktedefecten bij chips te verminderen. Surendranath benadrukt dat het onderliggende principe breder inzetbaar is: zijn team werkt inmiddels aan het vertalen van de aanpak naar andere dehydrogeneringsreacties die voor de energietransitie relevant kunnen zijn. Omdat het palladium in het membraan duur is, werkt het team nu ook aan manieren om minder van dat metaal te gebruiken en het proces op te schalen naar industriële toepassingen. Het onderzoek werd gefinancierd door de Amerikaanse National Science Foundation.