Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Schonere brandstof dichterbij dankzij ontdekking Leidse chemici

In 1789 lukte het wetenschappers in het Haarlemse Teylers Museum voor het eerst om water te ontleden in zuurstof en waterstof. De Leidse hoogleraar oppervlaktechemie Marc Koper heeft nu als eerste ontrafeld hoe ‘elektrolyse’ precies werkt. Hierdoor komt de waterstofauto een stap dichterbij.

Elektriseermachine

De grote elektriseermachine is een van de meest bewonderde instrumenten in het Teylers Museum in Haarlem: twee grote glazen platen (diameter 1,65 meter) waartussen een elektrische spanning kan worden opgewekt door ze rond te draaien. Al in 1789 voerden Adriaan Paets van Troostwijk en Jan Rudolph Deiman er een bijzonder experiment mee uit. Ze gebruikten de machine om voor het eerst in de geschiedenis water te ontleden in zuurstof en waterstof. De methode heet elektrolyse en wordt in de industrie nog steeds op grote schaal toegepast: in een bak met water plaats je twee draden (elektroden), waartussen je een elektrische spanning aanbrengt.

Gouden elektroden

Hoe elektrolyse precies werkt op atomaire schaal, dat wist de wetenschap tot vorige week eigenlijk niet precies. ‘Elektrolyse lijkt zo makkelijk, maar is een heel ingewikkeld proces’, zegt hoogleraar Marc Koper. De wetenschap heeft het proces in het verleden dan ook vooral door trial and error steeds verder verbeterd. Zo is men erachter gekomen dat elektrolyse het efficiëntst werkt als de elektroden gemaakt zijn van iridiumoxide of rutheniumoxide. Dan is er slechts een spanning van 1,5 Volt nodig om de watermoleculen te splitsen.

Theorieën herzien

Schematische voorstelling van het elektrolyseproces. De elektroden trekken de watermoleculen als het ware uit elkaar.
 

De onderzoekgroep van Koper heeft nu als eerste het mechanisme achter de zuurstofvorming tijdens waterelektrolyse met gouden elektroden ontrafeld. Hun publicatie staat in de laatste editie van het Britse wetenschappelijk tijdschrift Chemical Science. Met hulp van spectroscopische technieken analyseerde Kopers onderzoeksgroep de zuurstofvorming in het experiment van zijn Haarlemse voorgangers uit 1789. Elektrolyse blijkt fundamenteel anders te werken dan gedacht. Koper: ‘Bestaande ideeën en theorieën zullen moeten worden herzien.’

Wisselwerking

Wanneer spanning op de gouden elektroden wordt gezet, vormt zich daar eerst een dunne oxidelaag omheen. Dat was bekend. Onbekend was dat de zuurstof die vervolgens vrij komt, volledig uit zuurstofatomen van die oxidelaag bestaat. En niet, zoals doorgaans gedacht, uit een wisselwerking tussen het water in de elektrolysecel en die oxidelaag.

Computer kan betere materialen zoeken

Maar maakt dit inzicht nou zo veel uit? ‘Ja zeker’, zegt Koper, ‘want nu we het mechanisme begrijpen, kunnen we veel gerichter gaan zoeken naar betere materialen om elektrodes van te maken.’ Kopers onderzoeksgroep doet inmiddels vergelijkbare experimenten met elektrodes van platina en iridium. ‘Als we het mechanisme precies begrijpen, kan de computer straks berekenen welke materialen het geschiktst zijn om als elektrode te dienen.’

Waterstofauto’s goedkoper

Als elektrolyse van water goedkoper wordt, is dat een stimulans voor de waterstofeconomie: de omschakeling van onder andere auto’s op milieuvriendelijk waterstof in plaats van benzine. ‘En het wordt hopelijk mogelijk om goedkoop via elektrolyse met zonlicht brandstoffen te maken.’ Koper beseft dat zijn ontdekking slechts een stap in die richting is. ‘De langste periode waarover je in de wetenschap mag praten is tien jaar. Ik denk dat het zeker nog zo lang duurt voordat er goede toepassingen zijn.’