Onderzoekers van de Universiteit Twente ontwikkelden een nieuw composiet dat één tot twee ordes van grootte beter presteert dan de individuele onderdelen. Het composiet bestaat uit verschillende veelvoorkomende elementen. Dit maakt het misschien mogelijk ze te gebruiken voor efficiënte waterstofproductie zonder zeldzame en kostbare metalen zoals platina. De onderzoekers publiceerden hun ontdekking in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Nano.
Groene waterstof is mogelijk de energiedrager van de toekomst. Met waterstof kunnen we (groene) energie voor lange tijd opslaan. Daarom is het belangrijk om het zo efficiënt mogelijk te produceren. Elektrolyse van water is een van de meest duurzame productiemethoden van groene waterstof. Maar met de huidige elektrolysemethoden gebruiken we veel zeldzame en dure materialen, of is het proces niet efficiënt genoeg.
Onverwacht resultaat
“Nu bevatten de meest efficiënte elektrolysetoestellen platina en iridium. Dat is nodig voor de elektroden waarop het waterstof- en zuurstofgas wordt geproduceerd uit water. Maar platina en vooral iridium zijn te zeldzaam. Daarom zoeken we constant naar elektrodematerialen gemaakt van meer voorkomende grondstoffen die we ook kunnen gebruiken als efficiënte en stabiele elektrokatalysatoren”, legt UT-onderzoeker Chris Baeumer uit. Baeumer en zijn team vonden precies wat ze zochten in een nieuw materiaal, dat een verbinding bevat van vijf verschillende overgangsmetalen.
Link magazine editie februari/maart 2023 | jaargang 25 thema: Volle buffers en toch tekorten. Lees Link digitaal of vraag een exemplaar op: mireille.vanginkel@linkmagazine.nl
Individueel zijn de vijf overgangsmetalen maar weinig actief als katalysator. De onderzoekers ontdekten echter dat in de juiste samenstelling de activiteit tot 680 keer hoger is dan die van de afzonderlijke verbindingen. Die hogere activiteit komt als een verrassing. Baeumer legt uit: “We verwachtten met name de stabiliteit te verbeteren in vergelijking met traditionele composieten. Maar uit de testen bleek al snel dat de activiteit ook veel hoger was. Samen met onze partners uit Karlsruhe (Duitsland) en Berkeley (VS), ontdekten we dat de individuele overgangsmetalen elkaar kunnen ‘helpen’. Het gecombineerde materiaal werd beter dan de som der delen door een zogenaamd synergie-effect.”
Toekomstige uitdagingen
Het nieuwe materiaal kan niet direct alle elektroden vervangen. Het combineren van de vijf verschillende materialen is complex en de activiteit is tot nu toe alleen in een laboratoriumomgeving getest. “We vergelijken een nieuw ontdekt composiet met materialen die geoptimaliseerd zijn voor grootschalige productie. Dat betekent dat we ons nieuwe materiaal nog steeds op industriële schaal moeten testen. Maar met wat aanpassingen en verder onderzoek heeft deze combinatie van overgangsmetalen de potentie om beter te presteren dan de momenteel beschikbare alternatieven,” legt UT-postdoc Shu Ni uit. Ni leidt deze toekomstige ontwikkelingen voor materiaaloptimalisatie.
Dr. Chris Baeumer is momenteel universitair docent in de onderzoeksgroep Inorganic Materials Science (IMS; Faculteit TNW / MESA+). Hij en zijn team publiceerden onlangs hun bevindingen in een artikel, getiteld ‘High-Entropy Oxide as High-Activity Electrocatalyst for Water Oxidation’, in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Nano.
