Niet-edele metalen nanodeeltjes zouden op een dag dure katalysatoren voor waterstofproductie kunnen vervangen. Echter, het is vaak moeilijk om te bepalen welke reactiesnelheden ze kunnen bereiken, vooral als het gaat om oxidedeeltjes. Dit komt omdat de deeltjes met een bindmiddel en geleidende additieven aan de elektrode moeten worden bevestigd, die de resultaten vertekenen. Met behulp van elektrochemische analyses van individuele deeltjes, onderzoekers zijn er nu in geslaagd de activiteit en stofomzetting te bepalen van nanokatalysatoren gemaakt van kobaltijzeroxide - zonder bindmiddelen. Het team onder leiding van professor Kristina Tschulik van de Ruhr-Universität Bochum rapporteert samen met collega's van de Universiteit van Duisburg-Essen en van Dresden in de Tijdschrift van de American Chemical Society , online gepubliceerd op 30 mei 2019.

"De ontwikkeling van niet-edelmetaalkatalysatoren speelt een beslissende rol bij het realiseren van de energietransitie, aangezien alleen deze goedkoop en in voldoende hoeveelheden beschikbaar zijn om de benodigde hoeveelheden hernieuwbare brandstoffen te produceren, " zegt Kristina Tschulik, lid van het Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation (Resolv). Waterstof, een veelbelovende energiebron, kan dus worden verkregen door water te splitsen in waterstof en zuurstof. De beperkende factor hierbij is tot nu toe de partiële reactie waarbij zuurstof wordt geproduceerd.

Beter dan de reactiesnelheden die momenteel in de industrie worden bereikt

Hoe efficiënt kobaltijzeroxidedeeltjes de zuurstofproductie kunnen katalyseren, werd door de onderzoekers in het huidige werk onderzocht. Ze analyseerden veel afzonderlijke deeltjes na elkaar. De scheikundigen lieten een deeltje de vorming van zuurstof op het oppervlak van de elektrode katalyseren en maten de stroom die hierdoor vloeit, die informatie geeft over de reactiesnelheid. "We hebben stroomdichtheden van enkele kiloampère per vierkante meter gemeten, ", zegt Tschulik. "Dit is boven de reactiesnelheden die momenteel in de industrie mogelijk zijn."

Het team liet zien dat voor deeltjes kleiner dan tien nanometer, de stroom is afhankelijk van de deeltjesgrootte - hoe kleiner het katalysatordeeltje, hoe kleiner de stroom. De stroom wordt ook beperkt door de zuurstof die bij de reactie wordt geproduceerd en die van het deeltjesoppervlak diffundeert.

Extreem stabiel ondanks hoge belasting

Na de katalyse-experimenten, de chemici observeerden de katalysatordeeltjes onder de transmissie-elektronenmicroscoop. "Ondanks de hoge reactiesnelheden, d.w.z. hoewel de deeltjes zoveel zuurstof hadden gecreëerd, ze veranderden nauwelijks, ", zegt Tschulik. "De stabiliteit onder extreme omstandigheden is uitzonderlijk."

De analysebenadering die in het huidige werk wordt gebruikt, kan ook worden overgedragen naar andere elektrokatalysatoren. "Het is essentieel om meer te weten te komen over de activiteiten van nanokatalysatoren om niet-edelmetaalkatalysatoren efficiënt verder te kunnen ontwikkelen voor de hernieuwbare energietechnologieën van morgen, ", zegt de chemicus uit Bochum. Om het effect van de deeltjesgrootte op de katalytische activiteit te analyseren, het is belangrijk om nanodeeltjes met een gedefinieerde grootte te synthetiseren. Als onderdeel van de Universitaire Alliantie Ruhr, het Bochum-team werkt nauw samen met onderzoekers van de Universiteit van Duisburg-Essen onder leiding van professor Stephan Schulz, die de katalysatordeeltjes produceren.