Zilveren nanokatalysator blijkt te wisselen van werkplek in waterstofcel

Wetenschappers van Seoul National University, KAIST en het Korea Basic Science Institute hebben ontdekt dat een katalysator van zilver zich compleet anders gedraagt, afhankelijk van de taak die hij uitvoert. Het gaat om nanodeeltjes zilver die in zogeheten vaste-oxidecellen worden gebruikt: apparaten die op hoge temperatuur ofwel elektriciteit opwekken, ofwel water splitsen om waterstof te maken. Tot nu toe was onduidelijk of dezelfde chemische route verantwoordelijk was voor beide functies. Het onderzoek, gepubliceerd in Energy & Environmental Science, laat zien dat dit niet zo is.

Vaste-oxidecellen gebruiken een keramische laag om zuurstofionen te transporteren. Die eigenschap maakt ze bijzonder veelzijdig: dezelfde technologie kan dienen als brandstofcel voor elektriciteit, of omgekeerd als elektrolyser om waterstof te produceren uit water. Vooral de snelheid van de zuurstofreacties aan de zogeheten luchtelektrode bepaalt hoe goed en hoe lang zo'n cel presteert. Metalen nanokatalysatoren zoals zilver verbeteren die reacties al langer, maar waar en hoe ze dat precies doen, bleef gissen omdat echte elektrodes een chaotische, moeilijk te doorgronden structuur hebben.

Een modelelektrode als proefopstelling

Om dat probleem te omzeilen bouwde het team een sterk vereenvoudigde modelelektrode: zilver-, kobalt-, palladium- en platinadeeltjes werden in nette, gelijkmatige patronen op een dun laagje perovskietoxide aangebracht. Zilver bleek verreweg de beste katalysator. Door vervolgens de grootte en afstand tussen de zilverdeeltjes systematisch te variëren, konden de onderzoekers precies aanwijzen waar de reacties plaatsvonden.

Bij het opwekken van elektriciteit — de zuurstofreductiereactie — bleek de reactiesnelheid vooral toe te nemen naarmate de grenslijn tussen zilverdeeltje en elektrode langer werd. Het grensvlak is dus de plek waar het werk gebeurt. Bij waterstofproductie, de zuurstofevolutiereactie, gold juist het tegenovergestelde: hier telde het oppervlak van de zilverdeeltjes zelf. Hetzelfde materiaal schakelt dus tussen twee compleet verschillende actieplekken, afhankelijk van de richting waarin de cel wordt gebruikt.

Gevolgen voor het ontwerp van energiecellen

Met synchrotronmetingen en berekeningen op atomair niveau achterhaalde het team ook waarom dit gebeurt: zilver verandert de elektronische structuur van het oppervlak op een manier die, afhankelijk van de reactierichting, ofwel elektronenoverdracht ofwel het samensmelten van zuurstofatomen bevordert. Die inzichten zetten de gangbare aanpak op zijn kop. In plaats van een katalysator als één simpel hulpmiddel te zien, pleiten de onderzoekers ervoor om het oppervlak van de katalysator en het grensvlak met de elektrode apart te optimaliseren. Dat zou de efficiëntie van decentrale energiecentrales kunnen verhogen en het stroomverbruik van groene waterstofproductie kunnen verlagen. Ook cellen die afwisselend stroom en waterstof leveren, zogeheten reversibele systemen, zouden hiervan kunnen profiteren. De onderzoekers willen hun modelelektrode nu breder inzetten, onder meer voor andere elektrochemische technologieën en zuurstofscheidingssystemen.