Elektrolyse en de productie van brandstoffen

Een techniek om CO2 om te zetten in brandstoffen en andere nuttige producten, is elektrolyse. Om dit efficiënt en op grote schaal te kunnen doen, moeten we wel precies begrijpen hoe elektrolyse werkt. Hoogleraar Marc Koper is expert op dit gebied.

Onze maatschappij gaat vermoedelijk op grote schaal ‘electrificeren’, omdat we met onder meer zonnepanelen en windmolens schone en duurzame manieren hebben gevonden om elektriciteit op te wekken. Maar als we elektriciteit op nieuwe duurzame manieren gaan opwekken en dat op grote schaal gaan doen, moeten we dit ook kunnen opslaan en transporteren. Zeer waarschijnlijk gaan we elektriciteit opslaan in chemische bindingen die je via chemische reacties produceert uit bronnen als CO₂ en water. Waterstof is een veelbelovende binding, omdat er allemaal toepassingen voor zijn. Zo kan waterstof dienen als brandstof voor auto’s, en is waterstof een belangrijke grondstof voor de chemische industrie. Bovendien levert de verbranding van waterstof met zuurstof een ‘schoon’ afvalproduct op: water. Zo zouden we gelijk een belangrijke oorzaak voor het opwarmen van de aarde - uitstoot van fossiele brandstoffen - kunnen elimineren.

Marc Koper is hoogleraar katalyse en oppervlaktechemie en onderzoekt hoe je via elektrolyse zo efficiënt mogelijk waterstof uit water, en andere brandstoffen uit water en CO_2, kunt maken, en hoe dat proces zich precies voltrekt op atomaire schaal.

Doorgronding van elektrolyse

Koper wil het proces van die elektrochemische reductie van bronnen, zoals CO₂ en water, beter begrijpen. Wat voor soort katalysatoren - de stof die de reactie mogelijk maakt - heb je ervoor nodig, waarom en hoe werken die katalysatoren dan? We snappen op een heel nauwkeurig niveau nog steeds niet hoe elektrolyse werkt. Bijvoorbeeld: als je waterstof maakt met de elektrolyse van water, kun je dat in verschillende waterige omgevingen doen. Deze omgeving heet het elektrolyt. Koper: ‘Waterstof maken kan in een zuurelektrolyt, of in een basisch elektrolyt. Het is bekend dat als je dit doet in een basisch elektrolyt, dit minder efficiënt is dan een zuurelektrolyt. Maar we weten eigenlijk nog niet goed waarom dat zo is. Als we dat wel begrijpen, kunnen we de elektrolyse misschien nog verder verbeteren.’

Bovendien zijn veel elektrolyse-processen niet alleen afhankelijk van de katalysator, maar ook van de omgeving waarin de katalysator zich bevindt - de elektrode in de waterige omgeving, waaraan je zout toevoegt om de reactie te geleiden. Koper: ‘Die omgeving draagt bij aan het resultaat van de reactie, maar hoe, dat weten we ook niet precies. Bij de elektrolyse van CO₂ is de omgeving zelfs van invloed op welk product je maakt. Bepaalde zouten in het elektrolyt bevorderen bijvoorbeeld de vorming van langere koolstofverbindingen. Die verbindingen zijn interessanter omdat ze een hogere energiedichtheid hebben en omdat ze waardevoller zijn als grondstof. Dat is een belangrijk gegeven: men is vaak op zoek naar nieuwe materialen om elektrolyse mee uit te voeren, terwijl de omgeving net zo’n grote invloed kan hebben op het resultaat. Hopelijk draagt de opgedane kennis uit mijn onderzoek uiteindelijk bij aan een compleet, beter systeem om elektrolyse mee uit te voeren.’

Dat onderzoek is nog heel pril; over de resultaten, en wanneer die dan komen, is nog veel onduidelijk. Desalniettemin zijn grote bedrijven als Shell zeer geïnteresseerd in Kopers werk. Als het lukt om technieken te ontwikkelen om CO₂ elektrochemisch efficiënt en betaalbaar te reduceren, zullen zij in staat zijn om op grote schaal nieuwe soorten brandstof, zoals waterstof en ethanol, aan te bieden: een omwenteling van ongekende proporties.

Verduurzaming van platina

Daarnaast onderzoekt Koper de productie van waterstof, via de elektrolyse van water, op het materiaal platina. ‘Deze manier om waterstof te maken gaat, voor zover we nu weten, het beste op een platina-oppervlak. Maar ook platina slijt, waardoor de elektrolyse naar verloop van tijd steeds minder van het gewenste eindproduct oplevert. Voor industrieel gebruik is het belangrijk om uit te zoeken hoe de levensduur van platina zoveel mogelijk kan worden opgerekt. Dus wil je bekijken wat de stabiliteit van het platina bepaalt en of je dat kunt sturen. Daar doen we veel onderzoek naar: hoe gedraagt platina zich op atomair niveau?’

Zo verricht de groep van Koper via rastertunnelmicroscopie metingen aan kleine stukjes platina. ‘We kijken tijdens een reactie wat platina-atomen doen en hoe ze zich rangschikken. Er gebeurt van alles met die atomen: ze lossen op, ze rangschikken zich in nieuwe posities. Dit gedrag heeft veel invloed op de levensduur van de katalysator. Je wilt platina zoveel mogelijk kunnen gebruiken, en zo weinig mogelijk nodig hebben. Op fundamenteel niveau wil ik begrijpen: wanneer gaat platina bewegen, waarom, en kunnen we het sturen?’

In kleine stappen komt de onderzoeksgroep van Koper steeds meer te weten over het gedrag van platina. de groep ontdekte bijvoorbeeld dat het oppervlak van platinaelektroden, die worden blootgesteld aan wisselende elektrische spanningen, veel eerder verruwt dan tot nu toe gedacht. Dat is belangrijke informatie, omdat die voortschrijdende verruwing een negatief effect heeft op het resultaat van de elektrolyse. Door vervolgonderzoek hoopt Koper dit proces van verruwing te kunnen verklaren.