Zuid-Koreaanse katalysator maakt groene waterstof met 75% minder platina-achtig metaal

Groene waterstof geldt al jaren als veelbelovende schone energiedrager, maar de productie ervan is duur. Dat komt vooral door elektrolyse-apparaten die water met behulp van stroom uit zon of wind splitsen in waterstof en zuurstof. Die apparaten, elektrolyzers genoemd, hebben katalysatoren nodig om de reactie te versnellen. Tot nu toe werkten de beste katalysatoren vrijwel altijd met platina of vergelijkbare edelmetalen. Die metalen zijn schaars en kostbaar, waardoor grootschalige productie van groene waterstof financieel lastig blijft. Een team onder leiding van professor Jinwoo Lee van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) presenteert nu een alternatief dat veel minder metaal nodig heeft.

Kleine clusters in plaats van grote klonten

De truc zit in de manier waarop de onderzoekers het metaal ruthenium rangschikken. Normaal gesproken vormen edelmetalen in een katalysator dikke, driedimensionale klompjes. Het grootste deel van dat metaal zit dan verstopt binnen in het klompje en komt nooit in contact met het water dat gesplitst moet worden. Dat is pure verspilling van een duur materiaal. Eerdere pogingen om dit op te lossen verspreidden losse, individuele metaalatomen over een oppervlak, zodat elk atoom wel bruikbaar was. Maar het splitsen van water is geen solo-klus: er zijn meerdere atomen nodig die samenwerken om elektronen te verplaatsen. Losse atomen konden dat niet.

De KAIST-onderzoekers vonden een middenweg. Ze bundelen groepjes van drie of vier ruthenium-atomen in een laag van slechts één atoom dik, bevestigd op een draagmateriaal van wolfraamcarbide. Zo blijft elk atoom aan de buitenkant beschikbaar voor de reactie, terwijl de atomen toch dicht genoeg bij elkaar liggen om samen te werken. Daarnaast pasten de wetenschappers de directe omgeving van de metaalatomen aan door hydroxylgroepen aan het draagmateriaal toe te voegen. Die versterken een netwerk van waterstofbruggen in de omringende vloeistof, waardoor protonen sneller naar de actieve plekken van de katalysator kunnen bewegen.

Vergelijkbare prestaties, flink minder metaal

In de praktijktest, uitgevoerd in een zogeheten anion-exchange membrane-elektrolyzer bij 80 graden Celsius en een spanning van 2,0 volt, haalde de nieuwe katalysator een stroomdichtheid van 9,82 ampère per vierkante centimeter. Dat cijfer laat zien hoe snel waterstof wordt geproduceerd, en het resultaat kwam overeen met wat commerciële platinakatalysatoren leveren. Toch gebruikte het team maar 25 procent van de hoeveelheid edelmetaal die normaal nodig is, met per gewicht vier keer zoveel katalytische activiteit. In een duurtest van 500 uur ononderbroken gebruik verloor de katalysator ook nog eens half zoveel aan prestaties als gangbare varianten, wat wijst op een langere levensduur en lagere onderhoudskosten.

De volgende stap is testen hoe de katalysator presteert onder wisselende stroomtoevoer, zoals bij zonne- en windenergie het geval is. Als dat goed uitpakt, kan deze aanpak helpen om groene waterstof op grotere schaal betaalbaar te maken. De studie is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.