Nieuw inzicht brengt duurzame waterstof dichterbij
Chemici Marc Koper en Ian McCrum hebben ontdekt dat de mate waarin een metaal bindt aan het zuurstofatoom van water beslissend is voor hoe goed de chemische omzetting van water tot waterstof verloopt. Dit inzicht helpt om betere katalysatoren te ontwikkelen voor de productie van duurzame waterstof, een belangrijke grondstof voor de chemische industrie en de brandstof die nodig is voor milieuvriendelijke waterstofauto’s. Publicatie in Nature Energy.
Verhit debat
Al jaren woedt er een verhit debat in de literatuur: hoe kan je het op elektrochemische wijze (zie kader) maken van waterstof aan platina-elektrodes in een basisch milieu versnellen? Scheikundige Ian McCrum keek toe vanaf de zijlijn, en kwam tot de conclusie dat een deel van het debat werd veroorzaakt doordat iedereen naar net iets andere elektrodes keek, waardoor de resultaten niet met elkaar te vergelijken zijn. Tijd om daar verandering in te brengen, dacht McCrum, LEaDing Fellow postdoc in de groep van hoogleraar Marc Koper.
Speciaal platinakristal
McCrum, die inmiddels in Amerika werkt, maakte gebruik van een speciaal platinakristal. Om te weten wat er zo speciaal aan is, moeten we inzoomen op het oppervlak van het platina. Dat is namelijk niet vlak en glad, maar onregelmatig met minuscule knikjes en randen. En precies bij deze onregelmatigheden vinden chemische reacties plaats. McCrum ontwierp het speciale kristal zo dat het oppervlak overal evenveel van deze onregelmatigheden heeft. Vervolgens bracht hij in die randen steeds een ander metaal aan, zoals ruthenium en molybdeen. Op die manier zorgde de chemicus ervoor dat alle elektroden precies zelfde atomaire structuur hebben, maar telkens met een ander metaal in de randen. Hierdoor kon hij op een systematische en goed gedefinieerde manier de interactie van de elektrode met het zuurstofatoom van water variëren.
Verrassende uitkomst
Vervolgens begonnen de metingen, die een verrassende uitkomst hadden. Marc Koper: ‘Onze doorbraak is nu dat er een duidelijk verband blijkt te zijn tussen de activiteit van de elektrode voor het maken van waterstof en de mate waarin het metaal in de rand bindt aan het zuurstofatoom van water.’ Dit laatste wordt ook wel oxofiliciteit genoemd, waarbij oxofiel letterlijk zuurstofminnend betekent. ‘We hebben zelfs een optimum gevonden voor deze oxofiliciteit,’ zegt Koper. ‘Daarmee hebben we nu definitief kunnen vaststellen dat de oxofiliciteit van het oppervlak een heel belangrijke rol speelt bij de elektrolyse.’ De onderzoekers hebben ook model ontwikkeld dat het bestaan van dit maximum verklaart.
Op weg naar duurzame waterstof
Het onderzoek is een flinke stap vooruit in het wetenschappelijke debat. Koper: ‘De nieuwe kennis is belangrijk in ons vakgebied. Doordat we een optimum in oxofiliciteit hebben gevonden, kunnen we namelijk gerichter op zoek naar betere katalysatoren voor de schone productie van waterstof.’
Publicatie
Ian McCrum & Marc Koper, The role of adsorbed hydroxide in hydrogen evolution reaction kinetics on modified platinum, Nature Energy (19 October, 2020)
Elektrochemie
Elektrochemie is het vakgebied dat zich richt op de relatie tussen elektriciteit en chemie. Zo valt bijvoorbeeld de omzetting van energie in batterijen onder elektrochemie. Een ander bekend voorbeeld is de elektrolyse van water, waarbij zuurstof en waterstof gevormd worden – precies de reactie waar de groep van Marc Koper zich op richt. Hierbij zijn er twee elektroden die stroom door het water sturen: de positief geladen anode en de negatief geladen kathode. Uiteindelijk vormt zich moleculair zuurstof aan de anode en moleculair waterstof aan de kathode.