Zuurstofevolutiereactie: het lastige, onmisbare halve stapje naar groene waterstof

Bijgewerkt: 8 augustus 2026 · 6 min leestijd

Als je water splitst met elektriciteit, krijg je twee gassen: waterstof en zuurstof. Iedereen die weleens een schoolproefje met elektrolyse heeft gedaan kent de bruisende belletjes bij de twee elektroden. De zuurstofevolutiereactie is de naam voor precies dat ene deel van dat proces: de chemische stap waarbij watermoleculen aan de positieve elektrode (de anode) worden afgebroken tot zuurstofgas, protonen en elektronen. In het Engels heet dit de Oxygen Evolution Reaction, afgekort OER, en die afkorting kom je in vakliteratuur en nieuwsartikelen vaker tegen dan de volledige Nederlandse naam.

Een vergelijking helpt. Stel je een grote schuifdeur voor waar een hele mensenmenigte doorheen moet om een concert te verlaten. Er is maar één smalle doorgang en die bepaalt hoe snel de hele zaal leegstroomt, ongeveer los van hoe breed de rest van het gebouw is. Zo werkt het ook bij elektrolyse: de reactie aan de andere elektrode, waar waterstofgas ontstaat, verloopt relatief soepel. De zuurstofevolutiereactie is de nauwe doorgang die het tempo en de energie-efficiëntie van het hele proces bepaalt. Wetenschappers die groene waterstof goedkoper willen maken, richten hun pijlen dan ook vooral op deze ene reactie.

Wat is het precies?

Elektrolyse van water gebeurt met twee elektroden die in een geleidende vloeistof (elektrolyt) hangen en zijn aangesloten op een stroombron. Aan de negatieve elektrode (kathode) nemen watermoleculen elektronen op en ontstaat waterstofgas. Aan de positieve elektrode (anode) gebeurt het omgekeerde: watermoleculen (of, afhankelijk van de zuurgraad, hydroxide-ionen) staan elektronen af. Dat afstaan van elektronen heet oxidatie, en het resultaat is zuurstofgas, plus protonen die door de vloeistof naar de andere elektrode migreren.

Scheikundig gezien is dit lastiger dan het lijkt. Om één zuurstofmolecuul (O2) te maken, moeten er vier elektronen ns worden losgelaten en moeten er tussentijds instabiele tussenproducten ontstaan die zich aan het elektrodeoppervlak vormen. Elke tussenstap kost een beetje extra energie boven op wat de theorie voorschrijft. Dat energieverlies heet overpotentiaal: het verschil tussen de spanning die je in theorie nodig hebt en de spanning die je in de praktijk moet toevoeren om de reactie op gang te houden. Hoe hoger die overpotentiaal, hoe meer elektriciteit er verloren gaat als warmte in plaats van dat die wordt omgezet in waterstofgas.

Om die overpotentiaal te verlagen, wordt de elektrode bedekt met een katalysator: een materiaal dat de reactie versnelt zonder er zelf blijvend door te veranderen. Voor zure elektrolytoplossingen (zoals bij zogeheten PEM-elektrolysers, waarover verderop meer) is iridiumoxide vrijwel de enige katalysator die stabiel genoeg is. In alkalische (basische) oplossingen werken goedkopere materialen op basis van nikkel, ijzer en kobalt vaak prima. Die keuze tussen zuur en basisch elektrolyt, en dus tussen dure en goedkope katalysatoren, is een van de centrale technische afwegingen in elektrolyser-ontwerp.

Wat wil men ermee bereiken?

De belangrijkste drijfveer is goedkopere en efficiëntere productie van groene waterstof: waterstofgas gemaakt met elektriciteit uit zon of wind, zonder aardgas of andere fossiele grondstof. Waterstof wordt gezien als mogelijke oplossing voor sectoren die moeilijk te elektrificeren zijn, zoals staalproductie, zware industrie, scheepvaart en langeafstandstransport. Omdat de zuurstofevolutiereactie de traagste en energieverslindendste stap in elektrolyse is, levert elke verbetering hier direct winst op voor de totale efficiëntie en dus de kostprijs van waterstof.

Een tweede drijfveer is het verminderen van de afhankelijkheid van iridium. Dit is een van de zeldzaamste metalen op aarde, en de wereldwijde jaarproductie is klein vergeleken met wat nodig zou zijn als PEM-elektrolysers op grote schaal worden uitgerold. Onderzoekers zoeken daarom naar katalysatoren die net zo stabiel zijn in zure omstandigheden, maar zonder iridium, of met veel minder iridium per vierkante centimeter elektrode.

Daarnaast speelt de zuurstofevolutiereactie een rol buiten waterstofproductie. Bij metaal-luchtbatterijen (zoals zink-lucht of lithium-lucht) is dezelfde reactie nodig om de batterij weer op te laden. En bij zogeheten kunstmatige fotosynthese probeert men, net als een plant, water te splitsen met zonlicht in plaats van met elektriciteit uit het net. Ook daar is een goede, stabiele OER-katalysator de bottleneck.

Voorbeelden uit de praktijk

Het REFHYNE-project bij de Shell-raffinaderij in Wesseling, Duitsland, geldt als een van de eerste grootschalige demonstraties van een PEM-elektrolyser in Europa; de installatie ging in de eerste helft van de jaren twintig in bedrijf en gebruikt een iridiumoxide-katalysator aan de anode, precies om de zuurstofevolutiereactie mogelijk te maken bij de benodigde stroomdichtheden.

In Nederland is het NortH2-consortium, met partners als Shell, Groningen Seaports, Gasunie en energiebedrijven, bezig met plannen voor grootschalige groene-waterstofproductie in de Eemshaven, gevoed door offshore windenergie. Ook hier bepaalt de efficiëntie van de OER-katalysatoren in de gekozen elektrolysers mede hoeveel waterstof er per megawattuur windstroom uit de installaties komt.

Aan de onderzoekskant is de groep van hoogleraar Marc Koper aan de Universiteit Leiden internationaal bekend om fundamenteel werk aan elektrokatalyse, waaronder de reactiemechanismen van de zuurstofevolutiereactie op nikkel-ijzer-oxides. Dit soort fundamenteel onderzoek probeert te begrijpen waarom bepaalde materiaalcombinaties beter presteren, zodat katalysatoren gerichter ontworpen kunnen worden in plaats van via trial-and-error.

In China zijn de afgelopen jaren enkele van de grootste alkalische elektrolyse-installaties ter wereld in gebruik genomen, onder meer gekoppeld aan zonne- en windparken in het westen van het land, waarbij bewust wordt ingezet op goedkope, iridiumvrije katalysatoren om de kosten per kilogram waterstof te drukken.

Hoe ver is de techniek?

Alkalische elektrolyse is decennia oude, volwassen technologie die al sinds de vorige eeuw industrieel wordt toegepast, onder meer voor de productie van chloor en bepaalde chemicaliën. De OER-katalysatoren hierin (nikkel- en kobaltverbindingen) zijn goedkoop en ruim beschikbaar, maar het systeem reageert relatief traag op schommelingen in stroomaanbod, wat lastig is in combinatie met wisselvallige zonne- en windenergie.

PEM-elektrolyse (protonuitwisselingsmembraan) is compacter, kan sneller op- en afschalen en is daardoor beter te combineren met hernieuwbare energie, maar is afhankelijk van de schaarse en dure iridiumkatalysator voor de zuurstofevolutiereactie. Dit wordt algemeen gezien als de belangrijkste hindernis voor opschaling van PEM-technologie naar het niveau dat nodig is voor mondiale klimaatdoelen.

Een derde, jongere technologie, AEM-elektrolyse (anion exchange membrane), probeert het beste van twee werelden te combineren: de compactheid van PEM met de goedkope, iridiumvrije katalysatoren van alkalische systemen. Deze technologie staat echter nog vooral op pilot- en vroege commerciële schaal en moet nog bewijzen dat ze langdurig stabiel blijft onder industriële omstandigheden.

Op onderzoeksniveau wordt hard gezocht naar iridiumarme of iridiumvrije katalysatoren die wél stabiel zijn in zuur milieu, bijvoorbeeld via zogeheten single-atom-katalysatoren of complexe metaaloxides met meerdere elementen tegelijk (high-entropy-oxides). Er worden in de wetenschappelijke literatuur regelmatig veelbelovende resultaten gepubliceerd, maar de stap van een goed werkend laboratoriummonster naar een katalysator die jarenlang stabiel blijft in een commerciële elektrolyser op industriële schaal, is in de praktijk vaak groter dan de eerste publicaties doen vermoeden. Tot op heden is er geen brede industriële doorbraak die iridium in zure PEM-systemen overbodig heeft gemaakt.

Wie werken eraan?

Op onderzoeksgebied zijn universiteiten als Universiteit Leiden, TU Delft en Universiteit Utrecht in Nederland actief op het gebied van elektrokatalyse, naast internationale zwaargewichten als MIT, University of California Berkeley en Stanford University in de Verenigde Staten. Onderzoeksinstituten zoals het Duitse Fraunhofer ISE en het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory (NREL) combineren fundamenteel onderzoek met praktijkgerichte ontwikkeling van elektrolyser-componenten.

Op industrieel gebied bouwen bedrijven als ITM Power (Verenigd Koninkrijk), Nel Hydrogen (Noorwegen), ThyssenKrupp Nucera en Siemens Energy (beide Duitsland) elektrolysers op zowel alkalische, PEM- als in sommige gevallen AEM-basis. Ook grote energie- en industriebedrijven als Shell investeren in demonstratieprojecten om ervaring op te doen met opschaling.

Internationale organisaties als het Internationaal Energieagentschap (IEA) volgen de voortgang van elektrolysertechnologie wereldwijd en publiceren regelmatig rapporten over kostprijsontwikkeling, geïnstalleerd vermogen en de knelpunten rond kritieke grondstoffen zoals iridium. Landen als Duitsland, Nederland, Japan, de Verenigde Staten en China voeren daarnaast eigen nationale waterstofstrategieën met subsidies voor onderzoek naar en opschaling van elektrolyse-technologie.