Kubussen presteren beter dan bollen als katalysatordeeltjes

Tot nu toe waren nanodeeltjes als katalysatoren voor groene waterstof als roeiers in een acht: onderzoekers konden alleen hun gemiddelde prestatie meten, maar konden niet bepalen welke de beste was. Dit is nu veranderd na de ontwikkeling van een nieuwe methode door de groep onder leiding van professor Kristina Tschulik, hoofd van de leerstoel Elektrochemie en nanoschaalmaterialen aan de Ruhr-universiteit in Bochum, Duitsland.

In samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Duisburg-Essen bewees ze met succes dat kubusvormige nanodeeltjes van kobaltoxide efficiënter zijn dan bolvormige. Dit maakt de weg vrij voor het systematisch ontwerpen van kosteneffectieve en efficiënte katalysatoren voor groene waterstof. De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen op 3 januari 2023.

Hoe elektrolyse concurrerend te maken

De wereld moet CO verminderen₂ uitstoot om klimaatverandering tegen te gaan. Hiervoor wordt tegenwoordig veel gebruik gemaakt van zogenaamde grijze waterstof, die wordt gewonnen uit olie en aardgas, maar er wordt naar gestreefd deze te vervangen door groene waterstof, die afkomstig is uit hernieuwbare bronnen. Groene waterstof kan worden geproduceerd door elektrolyse, een proces waarbij elektriciteit wordt gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Er moeten echter nog verschillende uitdagingen worden aangepakt om van elektrolyse een concurrerende benadering te maken.

Op dit moment is het watersplitsingsproces slechts in beperkte mate efficiënt en zijn er onvoldoende krachtige, duurzame en kosteneffectieve katalysatoren voor. “Momenteel zijn de meest actieve elektrokatalysatoren gebaseerd op de zeldzame en dure edelmetalen iridium, ruthenium en platina”, somt Tschulik op. “Als onderzoekers is het daarom onze taak om nieuwe, zeer actieve elektrokatalysatoren te ontwikkelen die vrij zijn van edelmetalen.”

Haar onderzoeksgroep bestudeert katalysatoren in de vorm van nanodeeltjes van basismetaaloxide die een miljoen keer kleiner zijn dan een mensenhaar. Ze worden op industriële schaal vervaardigd en variëren in vorm, grootte en chemische samenstelling. “We gebruiken metingen om zogenaamde katalysatorinkten te onderzoeken, waarin miljarden deeltjes worden gemengd met bindmiddelen en additieven”, schetst Tschulik.

Met deze methode kunnen onderzoekers alleen gemiddelde prestaties meten, maar niet de activiteit van individuele deeltjes – en dat is waar het echt om gaat. “Als we wisten welke deeltjesvorm of kristalfacet – de oppervlakken die naar buiten wijzen – het meest actief is, zouden we specifiek deeltjes met die exacte vorm kunnen produceren”, zegt Dr. Hatem Amin, postdoctoraal onderzoeker in analytische chemie aan de Ruhr-universiteit in Bochum.

Winnaar van de nanodeeltjesrace

De onderzoeksgroep heeft een methode ontwikkeld om individuele deeltjes direct in oplossing te analyseren. Hierdoor kunnen ze de activiteit van verschillende nanomaterialen met elkaar vergelijken om de invloed van deeltjeseigenschappen zoals hun vorm en samenstelling op watersplitsing te begrijpen.

“Onze resultaten geven aan dat kobaltoxidedeeltjes in de vorm van individuele kubussen actiever zijn dan bollen, omdat de laatste altijd verschillende andere, minder actieve facetten hebben”, zeggen de onderzoekers.

Theorie bevestigt experiment

De experimentele bevindingen van de Bochum-groep werden bevestigd door zijn samenwerkingspartners onder leiding van professor Rossitza Pentcheva van de Universiteit van Duisburg-Essen als onderdeel van het Collaborative Research Centre/Transregio 247. De theoretische analyses van laatstgenoemde duiden op een verandering in de actieve katalysatorregio’s, namelijk van kobalt atomen die omgeven zijn door zuurstofatomen die een octaëder vormen tot kobaltatomen die omgeven zijn door een tetraëder.

“Onze inzichten in de correlatie tussen deeltjesvorm en activiteit leggen de basis voor op kennis gebaseerd ontwerp van levensvatbare katalysatormaterialen en bijgevolg voor de transformatie van onze fossiele energie- en chemische industrieën naar een circulaire economie gebaseerd op hernieuwbare energiebronnen en zeer actief, langdurige katalysatoren”, concludeert Tschulik.