Nieuw nanomateriaal van ijzer en nikkel moet groene waterstof goedkoper maken

Groene waterstof geldt als een van de schoonste energiedragers van de toekomst. Je maakt het door water met stroom te splitsen in waterstof en zuurstof, zonder dat daar CO2 bij vrijkomt. Het probleem zit in de zogeheten elektrokatalysator: het materiaal dat die splitsingsreactie versnelt. De beste katalysatoren bevatten platina, ruthenium of iridium. Dat zijn zeldzame en dure metalen, wat groene waterstof tot nu toe duur houdt.

Ter vergelijking: de meeste waterstof wordt vandaag nog gemaakt uit aardgas of kolen. Bij elke kilo zogeheten grijze waterstof komt ongeveer 10 kilo CO2 vrij, bij blauwe waterstof ongeveer 6 kilo. Groene waterstof voorkomt die uitstoot volledig, mits de gebruikte stroom duurzaam is opgewekt. Een onderzoeksteam onder leiding van Shiv Singh van CSIR-AMPRI in het Indiase Bhopal zocht daarom naar een goedkoper alternatief voor de dure katalysatoren. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift ACS Applied Nano Materials.

Vezels groeien op een supergeleidend laagje

De onderzoekers gebruikten als basis een materiaal genaamd MXene, een extreem dun, laagvormig materiaal dat elektriciteit goed geleidt. MXene heeft echter een zwak punt: de laagjes oxideren makkelijk en klonteren samen, waardoor de elektrische weerstand toeneemt. Om dat te voorkomen lieten de onderzoekers koolstofvezels groeien direct op de MXene-laagjes, met behulp van een techniek genaamd chemische dampdepositie. Daarbij verhitten ze een mengsel van MXene met ijzer- of nikkeldeeltjes eerst tot 400 graden Celsius, en vervolgens tot 720 graden terwijl ze acetyleengas toevoegden. Aan het uiteinde van elke vezel ontstond zo een piepklein deeltje ijzeroxide of nikkeloxide. Zo ontstonden twee nieuwe materialen, afgekort als FeO-CNF@MX (ijzer) en NiO-CNF@MX (nikkel).

IJzer sneller, nikkel stabieler

In laboratoriumtests presteerden beide materialen beter dan koolstofvezels zonder MXene-drager. Voor het vrijmaken van waterstof had het nikkelmateriaal een iets lagere spanning nodig dan het ijzermateriaal. Voor het vrijmaken van zuurstof, de andere helft van de reactie, kwam het nikkelmateriaal zelfs dicht in de buurt van het huidige standaardmateriaal ruthenium-oxide. Toen de onderzoekers beide materialen testten in een compleet mini-elektrolyse-apparaat, draaide de volgorde om: het ijzermateriaal werkte daar juist beter en had minder stroom nodig dan het nikkelmateriaal. Over een testperiode van 24 uur bleef de prestatie van beide materialen redelijk stabiel, met het nikkelmateriaal als iets consistentere optie.

Platina blijft voorlopig de beste katalysator voor het vrijmaken van waterstof. Maar de onderzoekers laten zien dat een relatief eenvoudig en opschaalbaar productieproces goedkope metalen geschikt kan maken voor beide stappen van waterstofproductie. Dat kan de weg vrijmaken voor betaalbaardere groene waterstof, al is verder onderzoek nodig voordat het de dure edelmetalen daadwerkelijk kan vervangen in echte elektrolyse-installaties.