Onderzoekers ontwikkelen snelle en energiebesparende synthesemethode voor nieuwe elektrokatalysatoren

Onderzoekers van het Beierse Centrum voor Batterijtechnologie en het onderzoeksnetwerk “SolTech” van de Universiteit van Bayreuth hebben een nieuwe productiemethode voor elektrokatalysatoren gepresenteerd: een snelle synthese bij lage temperatuur van speciale keramische materialen (oxides met hoge entropie).

De resultaten van de leerstoel Fysische Chemie III en het Max Planck Instituut voor IJzeronderzoek in Düsseldorf kunnen de elektrolyse van water en de daarmee samenhangende waterstofproductie in de toekomst energiezuiniger maken. De uitslag is inmiddels geweest gepubliceerd in het journaal Geavanceerde functionele materialen.

Momenteel worden voornamelijk elektrokatalysatoren op basis van iridium- of rutheniumoxide gebruikt, wat de materiaalkosten aanzienlijk verhoogt en ook grootschalige uitbreiding bemoeilijkt in termen van materiaalbeschikbaarheid. Overgangsmetaaloxiden met een hoge entropie worden steeds interessanter voor deze processen. Deze worden echter gewoonlijk verkregen bij hoge temperaturen en met lange synthesetijden.

“In dit werk presenteren we voor het eerst een synthese bij lage temperatuur van oxiden met hoge entropie, meer bepaald van spinellen met een hoog ijzergehalte”, meldt prof. dr. Roland Marschall, houder van de leerstoel Fysische Chemie III aan de Universiteit van Bayreuth. Het nieuwe type synthese in de magnetron maakt het mogelijk om de synthesetijd terug te brengen tot minuten (in dit geval meestal 5-30 minuten) en de temperatuur tot 225°C.

Enerzijds is de synthese daardoor veel minder energie-intensief, anderzijds maakt dit de productie van nanodeeltjes mogelijk. Dit is vooral interessant bij de katalyse, omdat nanodeeltjes een bijzonder hoge oppervlakte-volumeverhouding hebben en de katalytische reacties die nodig zijn voor elektrolyse aan het oppervlak plaatsvinden.

“In ons werk konden we voor het eerst laten zien dat met deze eenvoudige synthese bij lage temperatuur een grote verscheidenheid aan verschillende samenstellingen met maximaal zeven verschillende metalen naast ijzer kan worden bereikt”, zegt prof. Marschall. Het gedeeltelijk vervangen van ijzer door kobalt, dat bekend staat om zijn hoge activiteit, maakte een extra toename van de katalytische activiteit mogelijk.

‘Tenslotte hangt de activiteit van de katalysatoren in grote mate af van de samenstelling – maar deze is bij alle voorgaande synthesemethoden niet vrij variabel. Onze methode is daarentegen zeer flexibel, waardoor de integratie van een groot aantal synthesemethoden mogelijk is. elementen in verschillende oxidatietoestanden en maakt het ook mogelijk om de samenstelling en dus de activiteit van de katalysatoren aan te passen”, zegt prof. Marschall.