Een vasthoudende postdoc-onderzoeker haalde prof.dr. Marc Koper over om de zuurstofreductiereactie te onderzoeken. In Kopers ogen was daar weinig belangstelling voor. Maar ze ontdekten prompt een geheel nieuwe manier om brandstofcellen op waterstof en zuurstof te verbeteren. Hun artikel verscheen in Nature Catalysis op 7 juli.

Er rijden weinig auto's op waterstof door Nederland:een daarvan, een Toyota Mirai, is van Shell Nederland-directeur Marjan van Loon. Marc Koper, hoogleraar Katalyse en Oppervlaktechemie:"Ze is een van de weinigen die daadwerkelijk waterstof kan tanken in Nederland, bij Shell in Amsterdam."

Toyota werkt aan betere, efficiëntere brandstofcellen, om het rijden op waterstof op grote schaal te kunnen introduceren. Maar de technologie is nog niet zo ver gevorderd, want er zijn twee grote problemen. Ten eerste is er te veel van het zeldzame metaal platina nodig in de brandstofcellen. Ten tweede moet het deel van de reactie dat zuurstof omzet in water, de zogenaamde zuurstofreductiereactie, efficiënter worden.

Er werd gedacht dat een zwakkere zuurstofbinding de enige knop was die draaide

Jarenlang hebben onderzoekers gedacht dat er maar één manier is om zuurstofreductie efficiënter te maken. In de brandstofcel met twee polen - de anode en de kathode - vindt die reactie plaats op de kathode waarop veel kleine platinadeeltjes zitten. Zuurstof wordt daar afgebroken tot zuurstofatomen gebonden aan het platina. Deze atomen reageren vervolgens verder om het eindproduct, water, te vormen.

Koper:“De huidige theorie is dat we op zoek moeten naar een kathode die de zuurstofatomen wat minder sterk vasthoudt. En ook dat dit de enige knop is waaraan je kunt draaien om de zuurstofreductie makkelijker te maken. Toyota gebruikt een kathode die platina en wat kobalt. Dit kobalt helpt de binding van zuurstof aan platina te verzwakken. Dus die theorie werkt goed."

Koper is een van de meest geciteerde wetenschappers ter wereld, ontving veel beurzen en kreeg in 2021 de grootste en meest prestigieuze wetenschapsprijs van Nederland. Hij ontving de Spinozapremie van 2,5 miljoen euro mede omdat zijn onderzoek kan bijdragen aan de energietransitie. Hij onderzoekt hoe elektrische energie kan helpen bij het maken of breken van chemische verbindingen. Zo kun je groene stroom opslaan, zodat je die kunt bewaren voor als de zon niet schijnt of de wind gaat liggen.

Maar daar is Koper niet in geïnteresseerd

Koper is eerlijk over zijn motieven:ze hebben niets te maken met wereldverbetering. "Ik wil op atomair niveau begrijpen wat er gebeurt als je elektriciteit door een elektrochemische cel stuurt", zei hij in een interview ter gelegenheid van zijn Spinozapremie. De zoektocht naar een betere kathode om zuurstof minder sterk te binden is voor hem niet zo spannend, hoe belangrijk het probleem ook is. "Naar mijn mening valt er wetenschappelijk niet veel meer te winnen bij het finetunen van de kathode met de beste verhouding van kobalt tot platina."

Maar toen kwam postdoc Mingchuan Luo bij Koper werken. "Hij stond erop te werken aan zuurstofreductie." Koper stelde toen voor om uit te zoeken wat er gebeurt als je speelt met de samenstelling van de elektrolyt, het medium dat de anode van de kathode scheidt. De elektrolyt bevat een bepaalde concentratie negatief geladen ionen:anionen. Luo experimenteerde met verschillende concentraties anionen.

Ze hebben een nieuwe knop ontdekt om aan te draaien

Koper:"We ontdekten toen dat de reductie van zuurstof soms sneller gaat dan verwacht, terwijl de binding van zuurstof aan de kathode sterker lijkt. Het heersende idee dat je alleen met een zwakkere zuurstofbinding een efficiëntere zuurstofreductie kunt bereiken, klopt dus niet. lijkt erop dat die anionen in de elektrolyt een ander proces in de zuurstofreductiereactie beïnvloeden, namelijk:het gemak waarmee die platinagebonden zuurstofatomen worden omgezet in hydroxide (OH-), de laatste stap voor het maken van water. Dit geeft ons een nieuwe knop om beurt, die fundamenteel verschilt van de gebruikelijke."

Dus in plaats van slechts één route naar efficiëntere waterstofcellen, zijn er ten minste twee. Dat is heel interessant voor Koper, die vooral wil begrijpen wat er op moleculair niveau gebeurt en waarom deze anionen zo'n belangrijke rol spelen. Ook zijn collega's bij Toyota zullen het interessant vinden, al kunnen ze er niet meteen grote stappen mee maken. "Op dit moment roept dit nieuwe inzicht vooral nieuwe vragen op. We moeten nu gaan uitzoeken wat er precies aan de hand is." + Verder verkennen

Efficiënter water omzetten in waterstof