Nieuwe katalysator gebruikt 75% minder platina in waterstofcellen

Waterstofcellen wekken elektriciteit op uit waterstof en zuurstof, met water als enig restproduct. Ze gelden als een belangrijke schakel in de energietransitie, bijvoorbeeld voor zwaar transport en industrie. Toch blijft grootschalige toepassing lastig, vooral door de hoge kostprijs. Een groot deel daarvan komt door platina, het edelmetaal dat nodig is om de reactie in de brandstofcel snel genoeg te laten verlopen. Onderzoekers van het IMDEA Materials Institute in Madrid presenteren nu een katalysator die evenveel presteert met 75 procent minder platina.

Drukken helpt de reactie op weg

De vertragende factor in een waterstofcel is de zogeheten zuurstofreductiereactie, de stap waarbij zuurstof wordt omgezet in water. Platina versnelt dit proces goed, maar is duur en schaars. Het team van hoofdonderzoeker Jorge Redondo bouwde daarom een dunne laag van een koper-platinalegering (Cu3Pt) op een nikkel-titanium drager. Door die laag met minder dan 1 procent mechanisch samen te drukken, verandert de atomaire structuur van het materiaal net genoeg om de katalytische werking flink te verbeteren. Metingen laten zien dat de samengedrukte katalysator een spanning van 855 millivolt haalt bij een stroomdichtheid van 1 mA per vierkante centimeter, vrijwel gelijk aan de 856 millivolt van zuiver platina onder dezelfde zure omstandigheden. Rekte het team het materiaal juist uit, dan daalden de prestaties fors. Dat bevestigt eerdere theoretische voorspellingen over hoe rek en druk de binding tussen waterstofatomen en het katalysatoroppervlak beïnvloeden.

Platina stapelt zich vanzelf aan de oppervlakte

Tijdens het elektrochemische proces bleek er nog iets bijzonders te gebeuren: het koper aan het oppervlak lost geleidelijk op, waardoor een paar nanometer dikke laag ontstaat die juist rijker is aan platina. Die combinatie van mechanische druk en deze natuurlijke herschikking van atomen zorgt ervoor dat er veel minder platina nodig is zonder dat de efficiëntie daalt, aldus Redondo. Het onderzoek is gepubliceerd in het vakblad Electrochimica Acta.

Nog niet klaar voor de fabriek

De onderzoekers benadrukken dat er nog stappen te zetten zijn voordat de techniek praktisch toepasbaar is. Zo moet blijken of de katalysator op industriële schaal betaalbaar te maken is, en of het effect van de mechanische compressie stand houdt bij langdurig gebruik. Dat laatste is cruciaal: als de opgelegde spanning in het materiaal na verloop van tijd wegzakt, verdwijnt ook het prestatievoordeel. Die vragen staan centraal in de volgende onderzoeksfase.