lagring av förnybar energi: flytande organiska vätgasbärare (LOHC). Vätgas används redan som bränsle eller för att generera elektricitet, men det är svårt att lagra och transportera den.
”Vi håller på att utveckla en ny strategi för selektiv omvandling och långtidslagring av elektrisk energi i flytande bränslen”, säger Waymouth, huvudförfattare till en studie som beskriver detta arbete i Journal of the American Chemical Society. ”Vi har också upptäckt ett nytt, selektivt katalytiskt system för att lagra elektrisk energi i ett flytande bränsle utan att generera gasformigt väte.”
Flytande batterier
Batterier som används för att lagra el till elnätet, samt batterier till smartphones och elfordon, använder litiumjonteknik. På grund av energilagringens omfattning fortsätter forskarna att leta efter system som kan komplettera dessa tekniker.
Bland kandidaterna finns LOHC, som kan lagra och frigöra väte med hjälp av katalysatorer och förhöjda temperaturer. En dag skulle LOHC kunna fungera som ”flytande batterier”, som lagrar energi och effektivt återför den som användbart bränsle eller elektricitet när det behövs.
Waymouth-teamet studerar isopropanol och aceton som ingredienser i system för lagring och frigöring av vätgasenergi. Isopropanol – eller sprit – är en vätgas i flytande form med hög densitet som kan lagras eller transporteras via befintlig infrastruktur tills det är dags att använda den som bränsle i en bränslecell eller att frigöra vätgasen för användning utan att släppa ut koldioxid.
Metoderna för att producera isopropanol med elektricitet är dock ineffektiva. Två protoner från vatten och två elektroner kan omvandlas till vätgas, och sedan kan en katalysator producera isopropanol från denna vätgas.
”Men man vill inte ha vätgas i den här processen”, säger Waymouth. ”Dess energitäthet per volymenhet är låg. Vi behöver ett sätt att tillverka isopropanol direkt från protoner och elektroner utan att producera vätgas.”
Daniel Marron, huvudförfattare till denna studie och som nyligen avslutade sin doktorsexamen i kemi vid Stanford, identifierade hur detta problem skulle lösas. Han utvecklade ett katalysatorsystem för att kombinera två protoner och två elektroner med aceton för att generera LOHC-isopropanol selektivt, utan att generera vätgas. Han gjorde detta med iridium som katalysator.
En viktig överraskning var att koboltocen var den magiska tillsatsen. Koboltocen, som är en kemisk förening av kobolt, en icke ädelmetall, har länge använts som ett enkelt reduktionsmedel och är relativt billigt. Forskarna fann att koboltocen är ovanligt effektivt när det används som en co-katalysator i denna reaktion, och levererar protoner och elektroner direkt till iridiumkatalysatorn i stället för att frigöra vätgas, vilket tidigare förväntades.
En fundamental framtid
Kobolt är redan ett vanligt material i batterier och är mycket efterfrågat, så Stanford-teamet hoppas att deras nya förståelse för koboltocens egenskaper kan hjälpa forskarna att utveckla andra katalysatorer för denna process. Forskarna undersöker till exempel katalysatorer som bygger på mer rikligt förekommande metaller som inte är ädeljordsmetaller, som järn, för att göra framtida LOHC-system mer prisvärda och skalbara.
”Det här är grundläggande vetenskap, men vi tror att vi har en ny strategi för att mer selektivt lagra elektrisk energi i flytande bränslen”, säger Waymouth.
I takt med att detta arbete utvecklas är förhoppningen att LOHC-system ska kunna förbättra energilagringen för industri- och energisektorer eller för enskilda sol- eller vindkraftsparker.
Och trots allt det komplicerade och utmanande arbetet bakom kulisserna är processen, som Waymouth sammanfattar den, faktiskt ganska elegant: ”När man har överskottsenergi och det inte finns någon efterfrågan på den i elnätet lagrar man den som isopropanol. När du behöver energin kan du återföra den som elektricitet.”
Ytterligare medförfattare från Stanford är Conor Galvin, Ph.D. ’23, och doktoranden Julia Dressel. Waymouth är också medlem i Stanford Bio-X och Stanford Cancer Institute, fakultetsmedlem i Sarafan ChEM-H och affilierad till Stanford Woods Institute for the Environment.
Ytterligare information: Daniel P. Marron et al, Cobaltocene-Mediated Catalytic Hydride Transfer: Strategies for Electrocatalytic Hydrogenation, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c02177
