Door het oogsten van regeneratieve energie wordt vaak meer elektriciteit opgewekt dan direct nodig is. Elektrochemische processen zouden kunnen worden gebruikt om de overtollige energie op te slaan of bruikbaar te maken. Hoewel er al twintig jaar intensief onderzoek wordt gedaan naar de hiervoor benodigde katalysatoren, vooruitgang wordt slechts in kleine stappen geboekt. Wat zou er in het onderzoek moeten veranderen om efficiënte, stabiele en selectieve katalysatoren voor industriële toepassing wordt beschreven door Dr. Justus Masa van het Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion, Professor Corina Andronescu van de Universiteit van Duisburg-Essen en professor Wolfgang Schuhmann van Ruhr-Universität Bochum in een overzichtsartikel. Het werd online gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie op 30 juni 2020.

Chemische reacties voor energieconversie

Drie chemische reacties zouden bijzonder geschikt zijn voor energieconversie:de elektrolyse van water tot waterstof en zuurstof, die later kan worden gebruikt om elektrische energie op te wekken in brandstofcellen; de omzetting van stikstof in ammoniak, een belangrijk uitgangsmateriaal voor de chemische industrie; en de elektrochemische omzetting van CO ₂ in andere grondstoffen voor de industrie, zoals ethyleen.

Werkzaamheid, selectiviteit en stabiliteit van katalysatoren

In hun overzichtsartikel beschrijven de auteurs dat onderzoek naar nieuwe katalysatoren altijd rekening moet houden met drie factoren:activiteit, selectiviteit en stabiliteit. Activiteit beschrijft hoe krachtig een katalysator is bij een bepaalde energie-input. Selectiviteit wordt gedefinieerd als het vermogen om de gewenste stof te produceren zonder bijproducten te verontreinigen. De stabiliteit geeft aan hoe efficiënt een katalysator op de lange termijn is.

"Veel publicaties claimen een hoge activiteit, stabiliteit en selectiviteit van elektrokatalysatoren voor belangrijke energieomzettingsreacties, maar er is een gebrek aan bewijs, " zegt Wolfgang Schuhmann, hoofd van het Centrum voor Elektrochemie en lid van het Ruhr Explores Solvation Cluster of Excellence, Oplossen.

Kloof tussen fundamenteel onderzoek en toepassing

Masa, Andronescu en Schuhmann bekritiseren, onder andere, dat er vaak te weinig belang wordt gehecht aan de stabiliteit van katalysatoren. "De onderschatting van de stabiliteit van de katalysator is grotendeels verantwoordelijk voor de enorme kloof tussen schijnbaar opwindende doorbraken in het ontwerp van actieve katalysatoren en de praktische implementatie van dergelijke katalysatoren in technische toepassingen, " zij schrijven.

Het team identificeert vijf factoren die de stap van onderzoek naar praktijk belemmeren:

• De prestaties en materiaaleigenschappen van katalysatoren onder toepassingsrelevante omstandigheden verschillen van die onder laboratoriumomstandigheden.
• Er zijn geen gedefinieerde richtlijnen voor het beoordelen en vergelijken van de prestaties van katalysatoren.
• Ongeschikte karakteriseringsmethoden worden vaak gebruikt om de prestaties van elektrokatalytische reacties te bepalen.
• Er is te weinig bekend over de actieve centra van de katalysatoren en hun stabiliteit op lange termijn. Bijvoorbeeld, invloeden van de omringende oplosmiddelmoleculen en ionen op de functie worden verwaarloosd.
• Om de activiteit van een katalysator te bepalen, de werkelijke oppervlakte moet bekend zijn. Nanodeeltjesensembles worden vaak gebruikt als katalysatoren waarvoor conventionele methoden voor oppervlaktebepaling niet geschikt zijn.

In hun artikel, Justus Masa, Corina Andronescu en Wolfgang Schuhmann gebruiken experimentele resultaten om aan te tonen hoe belangrijk het is om altijd na te denken over de stabiliteit van katalysatoren op een geïntegreerde manier met hun activiteit. Ze stellen verschillende methoden voor om de activiteit betrouwbaar te meten en verwijzen naar nano-elektrochemie. Als nanodeeltjesensembles worden gebruikt als katalysatoren, individuele nanodeeltjes moeten worden gekarakteriseerd, geen partikelensembles, omdat anders interferentie zal optreden. Eindelijk, de auteurs pleiten voor een paradigmaverschuiving in het ontwerp van katalysatoren. Ze noemen veelbelovende benaderingen die op een zeer selectieve manier de gewenste producten kunnen produceren.