De waterstofeconomie een zuurtest geven

Een team van onderzoekers onder leiding van het Institute of Applied Physics aan de Universiteit van Tsukuba heeft een methode gedemonstreerd om zuurbestendige katalysatoren te produceren door ze te bedekken met lagen grafeen. Ze laten zien dat het gebruik van weinig lagen een grotere protonenpenetratie mogelijk maakt tijdens een waterstofevolutiereactie, wat cruciaal is voor het maximaliseren van de efficiëntie bij het produceren van H₂ als brandstof. Dit werk kan leiden tot de industriële productie van waterstof als een volledig hernieuwbare energiebron voor voertuigen die niet bijdragen aan klimaatverandering.

De droom van auto’s op waterstof heeft veel mensen opgewonden als oplossing voor de enorme hoeveelheid koolstofdioxide die fossiele brandstoffen verbranden dagelijks in de atmosfeer uitstoten. De productie van waterstofgas is echter vertraagd door het gebrek aan goedkope katalysatoren die nodig zijn om water efficiënt te splitsen. In dit proces moeten waterstofkernen, protonen genaamd, worden gecombineerd om waterstofgas te vormen, H.₂. Op nikkel en nikkel gebaseerde legeringen worden gezien als veelbelovende goedkope alternatieven voor platina, maar deze metalen corroderen gemakkelijk wanneer ze worden blootgesteld aan de zure omstandigheden van de reactie. Een oplossing is om grafeen te gebruiken, een enkel vel koolstofatomen gerangschikt in een honingraatrooster, om de katalysator te beschermen. Het mechanisme waarmee de reactie plaatsvindt, bleef echter slecht begrepen.

Nu heeft een internationale onderzoekssamenwerking onder leiding van de Universiteit van Tsukuba aangetoond dat het gebruik van drie-vijf lagen grafeen corrosie efficiënt kan voorkomen, terwijl protonen nog steeds gedeeltelijk kunnen combineren bij de katalysator door defecten in de honingraatstructuur. Bovendien ontdekten ze dat de katalytische efficiëntie lineair afnam naarmate er meer lagen grafeen werden toegevoegd.

“Dit resultaat stelde ons in staat om te concluderen dat protonen door de grafeenlagen moeten dringen om te reageren op het oppervlak van het metaal”, zegt Dr. Kailong Hu, senior auteur van het onderzoek. De alternatieve verklaring, dat elektronen uit het metaal omhoog bewegen zodat de protonen kunnen reageren aan het buitenoppervlak van het grafeen, was geen belangrijk reactieproces dat door de experimenten werd ondersteund. Toekomstig werk zal zich richten op de optimalisatie van het aantal grafeenlagen om de corrosiebestendigheid en de katalytische activiteit in evenwicht te brengen.

“Waterstofbrandstof is bijzonder milieuvriendelijk omdat het geen broeikasgassen produceert en toch een grotere energiedichtheid heeft dan benzine”, legt professor Yoshikazu Ito uit. “Dus misschien kunnen we binnenkort op het gaspedaal trappen zonder een ecologische voetafdruk achter te laten.”