Hoe Groene Ammoniak de Toekomst van Duurzame Energie Vormt

De opkomst van groene ammoniak is een cruciale ontwikkeling in de energietransitie en decarbonisatie van verschillende industriële sectoren, waaronder elektriciteitsproductie, scheepvaart, transport en landbouw. In de afgelopen jaren zijn er veel innovatieve technologieën ontwikkeld om ammoniak te produceren zonder de schadelijke uitstoot die gepaard gaat met traditionele productieprocessen. De centrale vraag is hoe deze alternatieve methoden bijdragen aan de overgang naar een duurzamere toekomst, en wat de voordelen en uitdagingen zijn van het gebruik van groene ammoniak als energiedrager.

In januari 2021 ontwikkelde professor Sossina Haile van de Northwestern University, samen met onderzoekers van de Californië-gebaseerde start-up SAFCell, een efficiënte en milieuvriendelijke methode om ammoniak om te zetten in waterstof. Dit gebeurde met behulp van een elektrochemische cel die een protonwisselmembram en een speciaal ammoniakdecompositiekatalysator (Ru-Cs/CNT) integreerde. De ammoniak wordt hierbij eerst gedecomposeerd tot stikstof en waterstof, waarna het waterstof direct wordt omgezet in protonen. Deze protonen worden vervolgens door het protongeleidingmembram in de cel gestuurd, wat de reactie verder aandrijft en zorgt voor de productie van schone waterstof voor brandstofcellen.

De ontwikkeling van lage-temperatuur ammoniakdecompositiekatalysatoren door een team van Fuzhou University in 2021 markeerde een belangrijke stap in de industrialisatie van groene energie op basis van ammoniak. Deze katalysatoren, die zijn samengesteld uit actieve metalen zoals ruthenium (Ru) en nikkel (Ni), kunnen de thermische uitzettingscoëfficiënt van de katalysator afstemmen op dat van het elektrode-materiaal. Dit voorkomt de delaminatie van de katalysator tijdens thermische cycli, wat een veelvoorkomend probleem is bij dergelijke processen.

Groene ammoniak wordt ook onderzocht als een brandstof voor directe verbranding in energiecentrales. In 2021 werd bijvoorbeeld een gezamenlijk project gelanceerd door verschillende internationale bedrijven, waaronder de Malaysia International Shipping Corporation en Samsung Heavy Industries, om ammoniak als brandstof voor schepen te gebruiken. Dit kan een belangrijke bijdrage leveren aan het decarboniseren van de scheepvaartindustrie, die verantwoordelijk is voor een aanzienlijk deel van de wereldwijde CO2-uitstoot.

De toepassing van groene ammoniak in de energieproductie heeft de potentie om aanzienlijke voordelen te bieden voor de verduurzaming van de wereldwijde energiemix. De technologie heeft al tot significante investeringen geleid, zoals blijkt uit de samenwerking tussen Fuzhou University, Beijing Sanju Environmental Protection Company, en Zijin Mining Group, die gezamenlijk meer dan 267 miljoen yuan investeerden in een gezamenlijke onderneming gericht op de verdere ontwikkeling van ammoniak-hydrogen conversietechnologieën.

Het wereldwijde marktaandeel voor groene ammoniak groeit snel. In 2021 werd de markt gewaardeerd op 16 miljoen USD, maar wordt verwacht dat deze tegen 2030 zal stijgen naar 540 miljoen USD, met een jaarlijkse groei van 90%. In China, waar de energie- en chemische sectoren de belangrijkste bronnen van koolstofemissies zijn, wordt ammoniak als veelbelovende nieuwe brandstof beschouwd die fossiele brandstoffen zou kunnen vervangen, waardoor de doelen voor koolstofneutraliteit kunnen worden bereikt.

De commercialisering van groene ammoniak is al begonnen, maar er blijven belangrijke technische en economische uitdagingen. Het verbeteren van de efficiëntie van de productieprocessen en het verlagen van de kosten blijven essentiële stappen in de verdere ontwikkeling van de technologie. Daarnaast moeten er aanzienlijke investeringen worden gedaan in infrastructuur voor de opslag en distributie van ammoniak als energiebron. Er is een dringende behoefte aan wereldwijde samenwerking om de technologie verder te verfijnen en de kosteneffectiviteit te verbeteren.

Wat verder essentieel is om te begrijpen, is dat de overgang naar groene ammoniak niet alleen technisch, maar ook economisch en logistiek complex is. De integratie van ammoniak in bestaande energie-infrastructuren, zoals opwekking en transport, vereist aanzienlijke aanpassingen aan zowel de technologie als de wetgeving. De rol van groene ammoniak als energiebron zal bovendien sterk afhangen van het tempo waarmee de wereld zich aanpast aan de nieuwe energietechnologieën en de politieke wil om duurzame oplossingen te omarmen.

Wat zijn de methoden om de prestaties van magnesium-gebaseerde waterstofopslagmaterialen te verbeteren?

Magnesiumhydride (MgH2) heeft uitstekende structurele stabiliteit en een relatief hoge waterstofopslagcapaciteit. Elke magnesiumatoom is gecoördineerd met zes waterstofatomen om een gedeformeerd octaëder te vormen, wat bijdraagt aan de stabiliteit van het materiaal. Dit unieke kristalstructuur maakt MgH2 een veelbelovende kandidaat voor waterstofopslag, met een enthalpieverandering van 75 kJ/mol H2 tijdens het dehydrogenatieproces. De decompositie van MgH2 vindt plaats bij een temperatuur van 280°C onder een waterstofdruk van 100 kPa. Naast thermische ontleding kan magnesiumhydride ook een hydrolyse-reactie ondergaan, waarbij waterstof vrijkomt, met een theoretische waterstofproductie tot 15,2 wt%. Dit maakt magnesium een aantrekkelijk materiaal voor zowel opslag als transport van waterstof.

Thermische Decompositie van Waterstof en Verbetering van de Prestaties van Magnesium-Ge-baseerde Waterstofopslagmaterialen

Op dit moment zijn de meeste verbeteringen in de prestaties van magnesium-gebaseerde waterstofopslagmaterialen gericht op de thermodynamische en kinetische eigenschappen van het materiaal. Er zijn verschillende benaderingen die de waterstofopslagcapaciteit verbeteren, zoals het vormen van legeringen, het toevoegen van katalysatoren, het optimaliseren van de structuur en het combineren van magnesium met lichte metalen en complexe hydrides.

1. Legeringvorming

2. Toevoeging van Katalysatoren

De toevoeging van katalysatoren kan de kinetische prestaties van magnesium-gebaseerde waterstofopslagmaterialen aanzienlijk verbeteren. De dissociatie-energie van waterstof op het oppervlak van magnesium is relatief hoog (1,15 eV), wat de waterstofabsorptie vertraagt. Door katalysatoren toe te voegen, kan deze dissociatie-energie worden verlaagd, waardoor de kinetische prestaties van de waterstofabsorptie worden verbeterd. Katalysatoren kunnen in situ MgMXHy of MHX vormen, die fungeren als snelle kanalen voor waterstofdissociatie en desorptie, wat de activeringsenergie verlaagt en de kinetische prestaties van het Mg/MgH2-systeem aanzienlijk verbetert. De effectiviteit van de katalysator hangt niet alleen af van de eigenschappen van het metaal zelf, maar ook van de morfologie, de deeltjesgrootte en de dispersie. Overgangsmetalen zoals Pd, Cu, Ni en Fe hebben een aanzienlijke invloed op de afname van de dissociatie-energie van waterstofmoleculen, wat de waterstofabsorptie en -afgifte aanzienlijk versnelt.

3. Nanostructuur Regulatie

Aanvullende Methodes en Materialen

Naast de bovenstaande methoden kunnen ook andere materialen zoals MXene, een type twee-dimensionale gelaagde materialen, de waterstofopslagcapaciteit van magnesium-gebaseerde systemen verbeteren. Onderzoek heeft aangetoond dat toevoegingen zoals Ni@Ti-MX (een zelf-geassembleerde Ni nanopartikel geladen Ti3C2 MXene) de prestaties van MgH2 aanzienlijk verbeteren door synergistische katalytische effecten, die de adsorptie en desorptie van waterstofatomen op het Mg-oppervlak bevorderen. Bovendien kan het gebruik van koolstofmaterialen en metaallegeringen het cyclusgedrag van magnesium-gebaseerde composieten verbeteren, waardoor hun stabiliteit wordt vergroot.

Bij het verbeteren van magnesium-gebaseerde waterstofopslagmaterialen is het belangrijk om zowel de thermodynamische als de kinetische aspecten van het systeem in overweging te nemen. Het combineren van verschillende strategieën, zoals het vormen van legeringen, het toevoegen van katalysatoren en het manipuleren van nanostructuren, kan leiden tot een significante verbetering van de prestaties van deze materialen. Het begrijpen van de interacties tussen magnesium en andere componenten in deze systemen is essentieel voor het ontwerpen van efficiëntere en stabielere waterstofopslagtechnologieën.

Wat zijn de uitdagingen en verbeteringen in de waterstofopslagcapaciteit van Mg(BH4)2?

Mg(BH4)2, een verbinding die veelbelovend is voor waterstofopslag, heeft een hoge massadichtheid van waterstofopslag (14,8 wt%) en wordt gekarakteriseerd door de hogere elektronegativiteit van het Mg-element in vergelijking met Li en Na. Dit maakt het mogelijk om waterstof vrij te geven bij temperaturen rond de 300 °C. Echter, de werkelijke waterstofafgifte bij Mg(BH4)2 gebeurt bij veel hogere temperaturen dan verwacht, wat de praktische toepassing ervan in waterstofenergie bemoeilijkt. De kinetische en thermodynamische prestaties van deze verbinding zijn momenteel onvoldoende, wat de zoektocht naar verbeteringen dringend maakt.

Er zijn verschillende methoden ontwikkeld om de prestaties van Mg(BH4)2 te verbeteren. Een benadering omvat de toevoeging van andere hydrides, zoals LiH, om het waterstofafgiftepad te veranderen. Door LiH toe te voegen, kan Mg(BH4)2 beginnen met waterstofafgifte vanaf ongeveer 150 °C, wat een aanzienlijke verbetering is ten opzichte van de oorspronkelijke 300 °C. Het systeem Mg(BH4)2-xLiH, met x variërend van 0 tot 0,8, kan meer dan 10 wt% waterstof afgeven bij 250 °C en een cyclische capaciteit van 3,6 wt% behouden bij 180 °C over 20 cycli zonder significante achteruitgang. De interactie tussen Li+ en Mg2+ beïnvloedt het waterstofcirculatiesysteem in het Mg(BH4)2 matrix, wat helpt om de generatie van [B3H8]− groepen te stabiliseren, wat een belangrijke stap is in het verbeteren van de reversibele waterstofopslag.

Daarnaast blijkt dat het toevoegen van NaAlH4 de waterstofafgifte kan starten bij 101 °C, met een waterstofafgifte van 9,1 wt%. Het systeem kan reversibel 6,5 wt% waterstof absorberen bij 400 °C, waarbij de producten NaBH4, MgH2 en Al worden gevormd. Dit toont de potentie aan van het combineren van verschillende hydrides om de thermodynamische barrières van Mg(BH4)2 te overwinnen en het waterstofopslagproces te verbeteren.

Daarnaast speelt nanoschaal modificatie een cruciale rol bij het verbeteren van de waterstofopslagcapaciteit van Mg(BH4)2. Door Mg(BH4)2 op nanoschaal te modificeren, bijvoorbeeld door het te combineren met poriën zoals Cu2S nanospheren, kan de initiële waterstofafgifte temperatuur van Mg(BH4)2 worden verlaagd tot ongeveer 50 °C, terwijl de waterstofafgiftekinetiek aanzienlijk wordt verbeterd, zodat het volledig kan vrijkomen bij 300 °C. Deze aanpak toont enige reversibiliteit, aangezien het systeem in staat is om 0,5 wt% waterstof te herabsorberen bij 300 °C en een waterstofdruk van 6 MPa. Echter, deze nanoschaalbenadering heeft enkele nadelen, zoals lage laadeffectiviteit, beperkte werkelijke waterstofafgiftecapaciteit, moeilijkheden bij het verwijderen van oplosmiddelfenreststoffen en een complexer productieproces.

Er zijn dus verschillende benaderingen ontwikkeld om de prestaties van Mg(BH4)2 te verbeteren, waaronder de toevoeging van andere hydrides, overgangsmetalen, en de nanoschaalmodificatie. Deze innovaties dragen bij aan het verminderen van de hoge temperatuurvereisten voor waterstofafgifte en het verbeteren van de reversibele opslagcapaciteit van de verbinding. Tegelijkertijd blijft de uitdaging bestaan om de productkosten te verlagen en de praktijktests uit te breiden om de geschiktheid van Mg(BH4)2 voor commerciële waterstofopslag verder te beoordelen.

Hoe beïnvloeden defecten de waterstofopslagcapaciteit van koolstofnanobuizen?

In vervolgonderzoeken is vastgesteld dat de waterstofopslagcapaciteit van koolstofnanobuizen bij kamertemperatuur meestal niet voldoet aan de vereisten van praktische toepassingen. Bijvoorbeeld, Nishimiya et al. [146] rapporteerden dat de maximale waterstofopslagcapaciteit van enkele wand koolstofnanobuizen 0,932 wt% was bij 295 K en 106,7 kPa, en 2,37 wt% bij 77 K en 107,9 kPa. Dit wijst op de uitdaging om de capaciteit bij hogere temperaturen en lagere drukken te verbeteren.

Hoewel fysische adsorptie op het oppervlak van koolstofnanobuizen de belangrijkste manier is waarop waterstof zich hecht, is de opslagcapaciteit vaak beperkt door de specifieke oppervlakte van de buizen. Dit wordt verder onderstreept door de studie van Nijkamp et al. [145], waarin werd aangetoond dat de hoeveelheid geadsorbeerde waterstof goed samenhangt met de specifieke oppervlakte van de koolstofmaterialen. Omdat de specifieke oppervlakte van koolstofnanobuizen relatief klein is, kunnen ze niet als ideale adsorbenten voor waterstofopslag dienen, terwijl geactiveerde koolstof dat wel kan.

Er zijn verschillende methoden om de waterstofopslagcapaciteit van koolstofnanobuizen te verbeteren. Een veelbelovende benadering is het verhogen van de microporeuze volume door het aanbrengen van defecten in de structuur van de nanotubes. Het introduceren van defecten kan de microporeuze ruimte aanzienlijk vergroten, wat resulteert in een verhoogd oppervlak en dus een grotere opslagcapaciteit. Methoden zoals balmaling, alkali-activatie, zuurbehandeling en bromering kunnen effectief worden toegepast om defecten in de buizen te creëren en de oppervlaktekenmerken van de nanotubes te verbeteren.

Liu et al. [148] bestudeerden bijvoorbeeld de invloed van balmaling op de waterstofadsorptiecapaciteit van open koolstofnanobuizen. Ze ontdekten dat de waterstofadsorptie van koolstofnanobuizen die 10 uur gemalen waren bij kamertemperatuur 0,66 wt% was, wat ongeveer zes keer zo hoog was als bij niet-gemalen koolstofnanobuizen. Het verbeteren van de adsorptiecapaciteit werd toegeschreven aan de verhoogde hoeveelheid defecten en het vergrote oppervlak van de buizen door de balmaling.

Chen et al. [149] behaalden een enorme verbetering in de waterstofopslagcapaciteit van meerwandige koolstofnanobuizen, van 0,71 tot 4,47 wt%, door KOH-activatie en hoge-temperatuur annealing. Daarnaast ontdekten Zhang et al. [150] dat het gebruik van KOH-C redoxreacties om microporiën te vormen in de wanden van meerwandige koolstofnanobuizen resulteerde in de creatie van microporiën van ongeveer 0,8 nm, wat de waterstofopslagcapaciteit verder verhoogde.

Naast fysieke modificatie kan ook het doperen van koolstofnanobuizen met metalen nanopartikels een aanzienlijke verbetering van de waterstofopslagcapaciteit opleveren. Het doperen van koolstofnanobuizen met metalen zoals Ni, Ti of Pd kan de structurele integriteit van de nanotubes behouden en tegelijkertijd de waterstofopslagcapaciteit verbeteren door het zogenaamde "spillover"-mechanisme, waarbij waterstofmoleculen via de metalen oppervlakken op de koolstofnanobuizen worden overgedragen. Lin et al. [151] rapporteerden dat de waterstofopslagcapaciteit van koolstofnanobuizen met nikkel-nanopartikels op hun oppervlak steeg van 0,39 wt% naar 1,27 wt%. Evenzo ontdekten Rather et al. [152] dat het doperen van meerwandige koolstofnanobuizen met titanium het opslagvermogen verhoogde van 0,43 wt% naar 2,0 wt%, dankzij de efficiënte spillover-interacties tussen titanium en waterstofmoleculen.

Belangrijk is dat de toevoeging van metalen niet alleen de opslagcapaciteit verhoogt, maar ook de interactie tussen de koolstofnanobuizen en waterstofmoleculen verbetert, wat resulteert in een hogere bindingse energie van waterstof op de defectplaatsen in de buizen. Dit maakt het mogelijk om een hogere waterstofopslagcapaciteit te bereiken, zelfs bij kamertemperatuur en lagere drukken, wat cruciaal is voor de praktische toepassing van koolstofnanobuizen in waterstofopslagsystemen.

Naast defecten en doperen is de optimalisatie van het poreuze netwerk van koolstofnanobuizen een andere belangrijke factor om de waterstofopslagcapaciteit te verbeteren. Het aanpassen van de poriegrootte en het verhogen van de specificiteit van de oppervlakken kunnen aanzienlijke verbeteringen opleveren, waarbij de ideale poriegrootte ongeveer overeenkomt met de kinetische diameter van waterstofmoleculen (~2,9 Å). Dit verhoogt de van der Waals-krachten tussen waterstof en het materiaal, wat de waterstofopslag bevordert.