Zilveren nanodeeltjes wisselen van werkplek bij stroom of waterstof maken

Een solid oxide cel is een veelbelovend type energie-apparaat dat op twee manieren kan werken. In de ene stand fungeert het als brandstofcel en wekt het stroom op. In de andere stand splitst het water via elektrolyse om waterstof te produceren. Beide processen draaien om het transport van zuurstofionen, en de snelheid daarvan bepaalt hoe goed en hoe lang de cel werkt. Om die reactie te versnellen, voegen onderzoekers vaak metalen nanokatalysators toe, kleine deeltjes die als een soort katalysator-hulpje fungeren. Tot nu toe was echter niet duidelijk waar en hoe die deeltjes precies hun werk doen.

Twee werkplekken, één katalysator

Een team van de Seoul National University, KAIST en het Korea Basic Science Institute ging op zoek naar het antwoord. De onderzoekers bouwden een modelelektrode waarop ze zilver-, kobalt-, palladium- en platinadeeltjes in precies gecontroleerde patronen aanbrachten. Zilver bleek de beste katalysator. Vervolgens varieerden ze de grootte en rangschikking van de zilverdeeltjes om te zien waar de reactie precies plaatsvindt.

De uitkomst is opvallend: tijdens het opwekken van elektriciteit blijkt de reactie vooral plaats te vinden op de grenslijn tussen het zilverdeeltje en de onderliggende elektrode. Hoe langer die grens, hoe sneller de reactie verloopt. Bij het maken van waterstof verschuift de actie echter naar het oppervlak van het zilverdeeltje zelf: hoe groter dat oppervlak, hoe beter de cel presteert. Met synchrotronmetingen en atomaire berekeningen toonde het team ook aan hoe zilver de elektronenstructuur van de elektrode verandert, wat elektronenoverdracht bij stroomopwekking bevordert en het samenklonteren van zuurstofatomen bij waterstofproductie vergemakkelijkt.

Betekenis voor de energietransitie

De ontdekking is meer dan een technisch detail. Ze laat zien dat een katalysator geen vast, universeel hulpmiddel is, maar zich aanpast aan de taak die de cel op dat moment uitvoert. Dat betekent dat ontwerpers van elektroden voortaan apart moeten optimaliseren voor het katalysatoroppervlak en voor het grensvlak met de elektrode, in plaats van één ontwerp voor beide toepassingen te gebruiken.

Voor de praktijk kan dit twee kanten op werken. Distributiecentrales in gebouwen en fabrieken die met solid oxide brandstofcellen zowel stroom als warmte leveren, zouden efficiënter kunnen worden. Tegelijk kan groene waterstofproductie via elektrolyse minder stroom gaan kosten. Op termijn helpt het inzicht ook bij de ontwikkeling van omkeerbare cellen die in één systeem kunnen schakelen tussen stroom opwekken en waterstof maken, bijvoorbeeld om overtollige zonne- of windenergie op te slaan en later weer als elektriciteit terug te leveren. Het onderzoeksteam wil de ontdekte ontwerpregel nu testen bij andere materialen en energie-omzettingssystemen. Hoofdonderzoeker Jinwook Kim vervolgt dit werk binnenkort als universitair docent aan de University of Seoul.