Universiteit Leiden

nl en

Efficiënter waterstof maken uit water

Wetenschappers braken zich al lang het hoofd waarom het makkelijker is waterstof uit water te maken in een zuur dan in een basisch milieu. Marc Koper komt nu met een verklaring: de oorzaak is het elektrische veld aan het katalysatoroppervlak dat groter is in een basisch milieu, schrijft hij in een artikel in het tijdschrift Nature Energy dat op 20 maart verscheen.

Efficiënter waterstof maken

Marc Koper is hoogleraar Katalyse en oppervlaktechemie en doet onder andere onderzoek naar duurzame energie, bijvoorbeeld het gebruik van waterstof als brandstof. ‘Waterstof is een schone energiebron, die we nog niet op een schone manier op grote schaal kunnen maken. Doordat we nu weten dat het elektrische veld een belangrijke rol speelt, kunnen we bestaande systemen beter finetunen om ze efficiënter te maken’, aldus Koper.

Zeldzaamste metaal

Om water in waterstof en zuurstof om te zetten met elektrochemie zijn elektroden nodig: een negatieve kathode en een positieve anode. Koper: ‘De kathode is waar waterstof gevormd wordt. De beste katalysator hiervoor is platina, in ieder geval in zuur milieu. Voor de anode, de plek waar zuurstof vormt, is iridium de beste katalysator. En laat dat nou net het meest zeldzame metaal op aarde zijn.’

Goedkoop nikkel

‘In basisch milieu kan je nikkel gebruiken in plaats van iridium, wat stukken goedkoper is. Waterstofvorming gaat alleen veel slechter in basisch dan in zuur milieu. Er is meer spanning nodig op de kathode om waterstof te kunnen vormen, wat het proces inefficiënter maakt.’

Zwemmen in een elektrisch veld

Marc Koper en zijn groep vermoedden dat de sterkte van het elektrische veld een rol speelt bij de snelheid van de reactie. ‘In het zure milieu is er bij een gegeven spanning op de platina elektrode een kleiner elektrisch veld aan het platinaoppervlak dan in basisch milieu. Een sterk elektrisch veld zorgt dat de watermoleculen als het ware bevroren zijn. Geladen deeltjes zoals protonen en hydroxide ionen hebben weinig moeite om te bewegen als de watermoleculen gemakkelijk meebewegen. Maar in een basisch milieu heerst er een sterker elektrisch veld, waardoor de watermoleculen niet kunnen meebewegen als er een geladen deeltje door moet. Het is voor de deeltjes lastiger om de platina elektrode te bereiken. Daardoor verloopt de reactie langzamer dan in zuur milieu’, licht Koper zijn nieuwe theorie toe. 

Meten in Spanje

‘Wij vroegen ons af: hoe meet je nou zo’n elektrisch veld zo vlak bij het elektrode oppervlak?’ zegt Koper. ‘Collega’s aan de Universiteit van Alicante in Spanje hebben daar een speciale methode voor ontwikkeld, dus promovenda Isis Ledezma-Yanez is daarnaar toegegaan. De metingen bleken te kloppen met ons model. We gaan nu testen of het model ook klopt bij andere katalysatoren dan platina.’

Nieuwe parameter

Daarnaast biedt dit onderzoek Koper een nieuwe manier om systemen te verbeteren die waterstof uit water produceren. ‘Voor dit onderzoek keken we alleen naar de bindingssterkte van de katalysator met het waterstof. Die moet niet te sterk, maar ook niet te zwak zijn. We weten nu dat de sterkte van het elektrisch veld ook een belangrijke rol speelt. Daar gaan we mee sleutelen, onder andere door de samenstelling van de oplossing te variëren’, aldus Koper.

Publicatie in Nature EnergyInterfacial water reorganization as pH-dependent descriptor of the hydrogen evolution rate on platinum electrodes 

De manier waarop waterstof zich vormt verschilt in zuur en basisch milieu.

Zuur milieu

  • Een proton (een positief geladen deeltje) beweegt zich door de wateroplossing naar het platinaoppervlak en bindt aan het platina als waterstofatoom. 
  • Twee waterstof atomen die aan het oppervlak gebonden zijn, binden aan elkaar en vormen zo waterstof.

Basisch milieu

  • Water reageert aan het platina oppervlak tot een waterstof atoom gebonden aan het platina en een negatief geladen hydroxide ion (OH-).
  • Het hydroxide ion beweegt naar de wateroplossing weg van het platinaoppervlak. Door het sterke elektrische veld en het daardoor ‘bevroren’ water gaat dit moeizaam.