Vernuftig experiment legt eindelijk bloot hoe goud water oxideert
Met behulp van een slim experiment heeft promovendus Shengxiang Yang ontdekt hoe goudelektroden water omzetten in zuurstof. Het mechanisme van deze reactie was tot voor kort namelijk onbekend. Yang publiceerde zijn resultaten in het vakblad ACS Catalysis.
Gewild edelmetaal
Goud is een edelmetaal en daarmee inert. Dat betekent dat goud niet of nauwelijks met andere stoffen reageert – een van de redenen waarom het zo’n gewild metaal is. Voor een katalysator – die de reactie tussen stoffen moet versnellen – is dat een onhandige eigenschap, zou je denken. Toch wordt goud gebruikt als katalysator. Universitair hoofddocent Dennis Hetterscheid, begeleider van Yang, legt uit hoe dat zit. ‘Als je goud onder een positieve spanning brengt, verandert het buitenste laagje van goud in goudoxide, een vergelijkbaar proces als het roesten van ijzer. Dit nieuwe buitenlaagje op het goud reageert wel met andere stoffen en is in staat om water om te zetten in zuurstof.’
De oorsprong van deze reactie ligt vlakbij Leiden, in Haarlem om precies te zijn. Al in 1789 toonde Paets van Troostwijk, lid van de Hollandsche Scheikundigen, aan dat je water met goud kan ontleden in zuurstof en waterstof. Tegenwoordig is deze reactie belangrijk voor de opslag van duurzame energie. Hetterscheid: ‘Alleen begrepen we tot nu toe helemaal niet hoe goud deze reactie katalyseert. Daar heeft Shengxiang nu verandering in gebracht.’
Aanwinst voor Leiden
Drie jaar geleden kwam Shengxiang Yang via een CSC scholarship uit China naar Leiden. Een echte aanwinst voor de faculteit, valt uit de woorden van Hetterscheid op te maken. ‘Hij heeft het onderzoek helemaal zelf bedacht en uitgevoerd.’
Dat begon allemaal in de literatuur: Yang bekeek eerder onderzoek naar goudelektroden, maar zag dat verschillende papers elkaar tegenspraken. Door slimme experimenten ontdekte hij waar de literatuur de mist in ging. Dat zit zo: als goud oxideert onder spanning ontstaan er twee laagjes goudoxide. De heersende gedachte was dat dit ging om een ‘nette’ laag en een amorfe laag, die wat slordiger van structuur is. Eerst vormt de nette laag, gevolgd door de slordige laag. Althans, dat dacht men. ‘Yang heeft nu aangetoond dat er twee soorten goudoxides zijn die naast elkaar bestaan en beiden hun eigen ding doen,’ zegt Hetterscheid. ‘Ze katalyseren de oxidatie van water ook op verschillende manieren.’
Neutraal klimaat
Om dit te ontdekken bedacht Yang nieuwe experimenten. Hij onderzocht de oxidatiechemie van goud heel systematisch bij verschillende omstandigheden. Hetterscheid: ‘Elektrochemici doen normaal gesproken experimenten bij een zuurgraad van 0 (extreem zuur) of een zuurgraad van 14 (extreem basisch). Dat heeft bepaalde praktische voordelen, maar het heeft ook zijn beperkingen. Shengxiang besloot om de reactie van goud met water ook bij een neutrale zuurgraad van 7 te onderzoeken. Door tijdens de reactie heel kort te meten met spectroscopie wist hij uiteindelijk de twee reactiemechanismen bloot te leggen.’
Een belangrijk inzicht, dat ook nog eens praktische gevolgen kan hebben. ‘Doordat we nu beter begrijpen hoe goud deze reactie katalyseert, kunnen we op zoek naar betere katalysatoren voor wateroxidatie. Vooral omdat deze reactie van cruciaal belang is in de omzetting en opslag van duurzame energie,’ besluit Hetterscheid.
Publicatie
Shengxiang Yang & Dennis Hetterscheid, Redefinition of the Active Species and the Mechanism of the Oxygen Evolution Reaction on Gold Oxide, ACS Catalysis (2020)
Afbeelding Paets van Troostwijk: H.A.M. Snelders, Het Gezelschap der Hollandsche Scheikundigen.
Text: Bryce Benda