Tunnelvisie-alarm in de zoektocht naar efficiëntere waterstofcellen
Een vasthoudende postdoc-onderzoeker haalde hoogleraar Marc Koper over om onderzoek te doen naar de zuurstofreductie-reactie. In Kopers ogen was daar weinig interessants te halen. Maar prompt ontdekten ze een heel nieuwe manier om brandstofcellen op waterstof en zuurstof te verbeteren. Hun artikel verscheen 7 juli in Nature Catalysis.
Er rijden in Nederland maar weinig auto’s rond op waterstof: één daarvan, een Toyota Mirai, is in het bezit van Shell Nederland-directeur Marjan van Loon. Marc Koper, hoogleraar Katalyse en Oppervlaktechemie: ‘Ze is één van de weinigen die ook daadwerkelijk waterstof kan tanken in Nederland, bij Shell in Amsterdam.’
Twee belangrijke problemen
Toyota werkt aan betere, meer efficiënte brandstofcellen, om rijden op waterstof grootschalig in te kunnen voeren. Zo ver is het nog niet, er zijn twee belangrijke problemen. Ten eerste is er te veel van het zeldzame metaal platina nodig in de brandstofcellen. Daarnaast moet het gedeelte van de chemische reactie waarbij zuurstof wordt omzet in water, de zogeheten zuurstofreductie-reactie, efficiënter.
Men dacht dat zwakkere zuurstofbinding de enige knop was om aan te draaien
Al jaren denken onderzoekers dat er maar één manier is om de zuurstofreductie efficiënter te maken. In de brandstofcel met twee polen – de anode en de kathode – vindt die reactie plaats aan de kathode waarop heel veel kleine platinadeeltjes zitten. Zuurstof valt daar uiteen in zuurstofatomen gebonden aan het platina. Die atomen reageren vervolgens door tot het eindproduct water.
Koper: ‘De huidige theorie is dat we moeten zoeken naar een kathode die die zuurstofatomen iets minder sterk vasthoudt. En ook dat dat de enige knop is waaraan je kunt draaien om de zuurstofreductie gemakkelijker te laten plaatsvinden. Toyota gebruikt daarvoor een kathode die naast platina wat kobalt bevat. Dat kobalt helpt de binding van zuurstof aan platina te verzwakken. Die theorie werkt dus prima.’
Veelbelovend voor de energietransitie
Koper is een van de meest geciteerde wetenschappers ter wereld haalde veel subsidie binnen en kreeg in 2021 de grootste en meest prestigieuze Nederlandse wetenschapsprijs. Deze Spinozapremie van 2,5 miljoen euro kreeg hij deels omdat zijn onderzoek kan bijdragen aan de energietransitie. Hij onderzoekt hoe elektrische energie kan helpen chemische verbindingen te maken of breken. Daarmee zou je groene stroom kunnen opslaan, zodat je het kunt bewaren voor als de zon niet schijnt of de wind gaat liggen.
Maar daar gaat het Koper niet om
Koper is eerlijk in zijn motieven: die liggen niet op het vlak van wereldverbetering. ‘Ik wil op een atomair niveau begrijpen wat er gebeurt als je elektriciteit door een elektrochemische cel stuurt’, zei hij in een interview naar aanleiding van zijn Spinozapremie. De zoektocht naar een betere kathode om zuurstof minder sterk te binden, is voor hem niet zo spannend meer. Hoe belangrijk het probleem ook is. ‘In het finetunen van de kathode met de beste verhouding tussen kobalt en platina valt volgens mij wetenschappelijk niet veel meer te halen.’
Postdoc Mingchuan Luo stond erop
Maar toen kwam postdoc Mingchuan Luo bij Koper werken. ‘Hij stond erop aan zuurstofreductie te werken.’ Koper stelde toen voor te gaan uitzoeken wat er gebeurt als je speelt met de samenstelling van het elektrolyt, het medium dat de anode en de kathode van elkaar scheidt. In dat elektrolyt zit een bepaalde concentratie negatief geladen ionen: anionen. Luo experimenteerde met verschillende concentraties anionen.
Ze ontdekten een nieuwe knop om aan te draaien
Koper: ‘We ontdekten toen dat de zuurstofreductie soms sneller gaat dan verwacht, ook al lijkt de binding van zuurstof aan de kathode juist sterker. De heersende gedachte dat je alleen met zwakkere zuurstofbinding efficiëntere zuurstofreductie kan bereiken, klopt dus niet. Het lijkt erop dat die anionen in het elektrolyt een ander proces in de zuurstofreductie-reactie beïnvloeden. Namelijk: het gemak waarmee die aan platina gebonden zuurstofatomen worden omgezet in hydroxide (OH-), de laatste stap voordat je water maakt. Dit geeft ons een nieuwe knop om aan te draaien, die fundamenteel anders is dan de gebruikelijke knop.’
Heel interessant, ook voor Toyota
In plaats van slechts één route naar efficiëntere waterstofcellen zijn er dus minimaal twee. Heel interessant voor Koper, die vooral wil begrijpen wat er op moleculair niveau gebeurt, en waarom die anionen daarbij zo’n belangrijke rol spelen. Ook zijn collega’s bij Toyota zullen het interessant vinden, maar ze kunnen er niet meteen een grote slag mee slaan. ‘Op dit moment levert dit nieuwe inzicht vooral nieuwe vragen op. We moeten nu gaan uitzoeken wat er precies aan de hand is.’
Tekst: Rianne Lindhout