Waterstofevolutiereactie: hoe je met elektriciteit waterstofgas uit water haalt
Stel je een glas water voor met twee metalen staafjes erin, elk verbonden met een batterij. Zodra je de stroom aanzet, zie je aan één staafje belletjes opborrelen: dat is waterstofgas. Het scheikundige proces dat aan die kant plaatsvindt, heet de waterstofevolutiereactie (in het Engels: hydrogen evolution reaction, afgekort HER). Het is de reactie waarbij watermoleculen of waterstofionen, met behulp van elektrische stroom, worden omgezet in waterstofgas (H2).
Deze reactie klinkt misschien als een detail uit een scheikundeboek, maar ze staat aan de basis van wat veel mensen 'groene waterstof' noemen: waterstof gemaakt met stroom uit wind- of zonne-energie, zonder uitstoot van CO2. Het apparaat waarin dit gebeurt heet een elektrolyser, en de waterstofevolutiereactie is de helft van het proces dat zich daarin afspeelt aan de negatief geladen elektrode, de kathode. Hoe efficiënt en goedkoop die reactie kan verlopen, bepaalt in grote mate hoe kansrijk waterstof is als brandstof en grondstof van de toekomst.
Wat is het precies?
Bij elektrolyse van water wordt een elektrische stroom door water gestuurd via twee elektroden: een kathode en een anode. Aan de anode vindt de zuurstofevolutiereactie plaats, waarbij zuurstofgas (O2) vrijkomt. Aan de kathode vindt de waterstofevolutiereactie plaats. Afhankelijk van de zuurgraad van de vloeistof verloopt die iets anders: in zuur milieu nemen waterstofionen (H+) elektronen op en vormen samen H2-gas; in alkalisch (basisch) milieu nemen watermoleculen elektronen op, waarbij H2-gas en hydroxide-ionen (OH-) ontstaan.
Deze reactie heeft in theorie maar een klein beetje elektrische spanning nodig om te starten, maar in de praktijk is altijd extra spanning nodig om de reactie op een bruikbare snelheid te laten verlopen. Dat extra beetje energieverlies heet de overpotentiaal. Hoe lager de overpotentiaal, hoe minder elektriciteit er verspild wordt aan het opwekken van waterstof.
Om die overpotentiaal te verlagen, gebruikt men een katalysator: een stof die een reactie versnelt zonder er zelf blijvend in te veranderen. Voor de waterstofevolutiereactie is platina de beste bekende katalysator, vooral in zuur milieu. Het probleem is dat platina een zeldzaam en duur edelmetaal is, wat het lastig maakt om elektrolysers op enorme schaal te bouwen. Daarom zoeken onderzoekers wereldwijd naar goedkopere alternatieven, zoals verbindingen van molybdeen, nikkel en kobalt, die de reactie bijna net zo goed kunnen versnellen tegen een fractie van de kosten.
Wat wil men ermee bereiken?
Het grote doel achter onderzoek naar de waterstofevolutiereactie is simpel te formuleren, maar moeilijk te realiseren: waterstof produceren die schoon, betaalbaar en op grote schaal beschikbaar is. Waterstof kan dienen als brandstof voor zware industrie, als grondstof voor kunstmest en chemicaliën, en als manier om overtollige zonne- en windstroom op te slaan voor momenten dat de zon niet schijnt of de wind niet waait.
Om dat mogelijk te maken, moet elektrolyse op twee punten beter worden: efficiënter (minder elektriciteit nodig per kilo waterstof) en goedkoper (minder afhankelijk van schaarse edelmetalen zoals platina en iridium). Een groot deel van het wetenschappelijk onderzoek naar de waterstofevolutiereactie richt zich daarom op het vinden van katalysatoren die bijna net zo goed werken als platina, maar gemaakt zijn van veelvoorkomende, goedkope materialen. Elke kleine verbetering in de reactie telt, omdat elektrolysers straks op een schaal van gigawatts moeten draaien om een merkbaar deel van de wereldwijde energiebehoefte te dekken.
Voorbeelden uit de praktijk
Het onderzoek naar de waterstofevolutiereactie is niet alleen theoretisch; het heeft al concrete toepassingen en projecten opgeleverd.
Een invloedrijk voorbeeld uit de wetenschap is het werk van de onderzoeksgroep van Thomas Jaramillo aan Stanford University, die rond 2007 liet zien dat niet het hele oppervlak van het goedkope materiaal molybdeensulfide (MoS2) actief is bij de waterstofevolutiereactie, maar vooral de randen van de kristallen. Deze ontdekking gaf een grote impuls aan het ontwerpen van nanomaterialen die veel actieve randen bevatten, en wordt nog steeds veel aangehaald in vervolgonderzoek.
In Nederland doet het DIFFER-instituut (Dutch Institute for Fundamental Energy Research) in Eindhoven fundamenteel onderzoek naar elektrokatalyse voor waterstofsplitsing, als onderdeel van breder onderzoek naar de omzetting van duurzame elektriciteit in brandstoffen.
Op industriële schaal draait de reactie inmiddels in commerciële elektrolysers. ITM Power opende in 2021 in Sheffield (Verenigd Koninkrijk) een fabriek voor zogeheten PEM-elektrolysers (proton exchange membrane), een type elektrolyser dat vaak met platina- of iridiumkatalysatoren werkt. Het Duitse bedrijf Sunfire bouwt juist elektrolysers op basis van vaste-oxidetechnologie (SOEC), die bij hoge temperatuur werken en daardoor minder elektriciteit nodig hebben; het bedrijf breidde rond 2023 zijn productiecapaciteit in Duitsland uit.
Ook in de Groninger Eemshaven wordt gewerkt aan grootschalige groenewaterstofproductie onder de naam NortH2, een initiatief waarbij onder meer Shell, RWE, Equinor en Gasunie betrokken zijn (geweest); de precieze planning en scope van dit project zijn in de loop der jaren aangepast en blijven onderwerp van discussie.
Hoe ver is de techniek?
De waterstofevolutiereactie zelf is fundamenteel goed begrepen scheikundige chemie; ze wordt al meer dan een eeuw bestudeerd en toegepast, bijvoorbeeld in de chlooralkali-industrie. Wat de laatste twintig jaar sterk vooruit is gegaan, is het ontwerpen van katalysatoren die de reactie efficiënt laten verlopen zonder platina.
In laboratoria zijn inmiddels tientallen veelbelovende alternatieve katalysatoren ontwikkeld, zoals nikkelfosfide, kobaltfosfide en zogeheten single-atom-katalysatoren, waarbij individuele metaalatomen zo geplaatst worden dat vrijwel elk atoom bijdraagt aan de reactie. Veel van dit werk haalt in laboratoriumomstandigheden al prestaties dicht in de buurt van platina.
De grootste uitdaging zit in de opschaling: een katalysator die in een klein laboratoriumcelletje jarenlang stabiel blijft, moet dat ook doen in een elektrolyser die dag en nacht op industriële schaal draait, vaak met wisselende stroomtoevoer van zon en wind. Materialen die in het lab prima werken, kunnen in de praktijk sneller afbreken of vervuild raken. Daarnaast blijft platina, ondanks alle alternatieven, in veel commerciële PEM-elektrolysers nog altijd de standaardkeuze, juist omdat het zo betrouwbaar is. De omschakeling naar goedkopere katalysatoren verloopt daardoor geleidelijker dan sommige onderzoekspublicaties doen vermoeden.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar de waterstofevolutiereactie wordt wereldwijd verspreid over universiteiten, gespecialiseerde onderzoeksinstituten en bedrijven uitgevoerd. Op wetenschappelijk vlak lopen instituten als Stanford University (VS), het Duitse Fraunhofer ISE, en in Nederland DIFFER in Eindhoven en verschillende technische universiteiten voorop in fundamenteel katalysatoronderzoek.
Op het gebied van industriële elektrolysers zijn onder meer thyssenkrupp nucera (Duitsland), Sunfire (Duitsland), ITM Power (Verenigd Koninkrijk), Nel Hydrogen (Noorwegen) en Siemens Energy grote spelers die de laboratoriumkennis vertalen naar op de markt gebrachte apparatuur. Landen als Duitsland, Nederland, Frankrijk en het Verenigd Koninkrijk investeren via nationale waterstofstrategieën in dit onderzoek, terwijl instanties als het Amerikaanse ministerie van Energie en het Internationaal Energieagentschap (IEA) de voortgang wereldwijd volgen en subsidiëren.