Zuid-Koreaanse elektrode verlaagt materiaalkosten groene waterstof met 99%

Groene waterstof geldt al jaren als veelbelovende schone energiedrager, maar de productie ervan is duur. Een belangrijke kostenpost zit in de elektroden die nodig zijn om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Die elektroden zijn doorgaans gemaakt van platina of ruthenium, edelmetalen die tegen de 55 tot 58 dollar per gram kosten. Op industriële schaal loopt die rekening snel op tot onbetaalbare bedragen. Het Zuid-Koreaanse onderzoeksinstituut KIER claimt nu een doorbraak: een elektrode van nikkel en kobalt die nauwelijks meer kost dan een paar cent per gram, maar qua prestaties in de buurt komt van platina.

Waarom waterstof maken zo lastig is

Waterstof maken via elektrolyse klinkt simpel: stuur elektrische stroom door water en de watermoleculen vallen uiteen in waterstof en zuurstof. In de praktijk verloopt dat proces in alkalische systemen, de meest gebruikte industriële methode, erg traag. Onder alkalische omstandigheden duurt het splitsen van watermoleculen meer dan honderd keer zo lang als in zure omgevingen. Om dat te versnellen, gebruiken fabrikanten normaal gesproken platina of ruthenium als katalysator. Die edelmetalen zijn schaars en duur, waardoor opschalen van groene waterstof financieel onhaalbaar wordt. Het team van KIER besloot daarom platina helemaal te laten vallen en te experimenteren met de veel goedkopere metalen nikkel en kobalt.

Twee materialen, twee taken

De truc zit in de opbouw van de nieuwe elektrode. De onderzoekers combineerden nikkeloxide met een nikkel-kobaltlegering op hetzelfde oppervlak, waarbij elk onderdeel een andere stap van de reactie voor zijn rekening neemt. Nikkeloxide fungeert als snelle katalysator die watermoleculen in de trage eerste fase uit elkaar trekt. De nikkel-kobaltlegering neemt het daarna over en voegt de losgekomen waterstofionen samen tot bruikbaar waterstofgas. Die taakverdeling zorgt ervoor dat de elektrode efficiënt blijft werken, ook zonder edelmetaal.

Resultaten die verder gaan dan het lab

In tests produceerde de nieuwe elektrode evenveel waterstof bij een overpotentiaal, een maat voor de extra energie die nodig is om de reactie op gang te houden, van slechts 22,7 millivolt. Dat is ongeveer 40 procent van de 56,5 millivolt die gangbare platina-elektroden nodig hebben. Volgens de onderzoekers behoort dit tot de beste resultaten die de afgelopen drie jaar zijn gemeld voor elektroden zonder edelmetaal. Belangrijker nog: de elektrode doorstond 600 opeenvolgende start-stopcycli zonder prestatieverlies. Dat is relevant omdat zonne- en windenergie, de stroombronnen die groene waterstof moeten voeden, onregelmatig beschikbaar zijn en elektrolyse-installaties voortdurend aan- en uitschakelen. Het team heeft inmiddels grotere elektroden van 40 centimeter doorsnede gemaakt en werkt aan opschaling richting 5.000 vierkante centimeter, geschikt voor industriële installaties op megawattschaal. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Science.