Elektrische auto’s rijden nu voornamelijk op accu’s. In de nabije toekomst gaan vooral brandstofcellen zorgen voor de elektrische aandrijving. Brandstofcellen hebben echter een elektrokatalysator nodig. Deze katalysator moet een oppervlak hebben met zeer kleine platinakobaltdeeltjes van nano-afmetingen. Deze worden aangebracht op een geleidend materiaal met behulp van koolstof. Deze kleine deeltjes en ook de koolstof in de brandstofcel corroderen echter in de loop van de tijd. Daardoor boet de cel aan efficiëntie en stabiliteit in.
Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van professor Matthias Arenz van de afdeling Chemie en Biochemie (DCB) van de Universiteit van Bern heeft nu een elektrokatalysator zonder toepassing van koolstof ontwikkeld. “De door ons ontwikkelde katalysator levert hoge prestaties en belooft een stabiele brandstofcelwerking. Zelfs bij hogere temperaturen en een hoge stroomdichtheid”, zegt Matthias Arenz.
Kleiner oppervlakte, minder prestaties
In een brandstofcel die met waterstof wordt gevoed, wordt elektrische stroom opgewekt met een elektrode. Deze splitst waterstof in positief geladen protonen en negatief geladen elektronen. De elektronen stromen via de elektrode weg. Buiten de cel genereren ze de elektrische stroom die bijvoorbeeld een motor aandrijft. Aan de andere kant van een speciaal membraan reageren de protonen met zuurstof uit de lucht op een tweede elektrode. Hierdoor ontstaat waterdamp, die vervolgens via de uitlaatgassen wordt afgevoerd.
Om elektriciteit te kunnen produceren, zijn beide elektroden voorzien van een katalysator. Anders zouden de chemische reacties zeer langzaam gaan. Deze katalysator is als een coating aangebracht op de elektrode. De platina-kobalt nanodeeltjes van de katalysator kunnen echter tijdens het gebruik “versmelten”, waardoor het oppervlak van de katalysator en dus de efficiëntie van de cel afneemt.
Bovendien kan de koolstof die gebruikt wordt om de katalysator te fixeren, corroderen bij gebruik in het wegverkeer. Dit resulteert op zijn beurt in een kortere levensduur van de brandstofcel en dus ook van de auto. “Onze motivatie was dus om een elektrokatalysator te produceren zonder een koolstofdrager die toch krachtig is”, legt Matthias Arenz uit. Voorheen hadden soortgelijke katalysatoren zonder dragermateriaal altijd een kleiner oppervlak. Maar aangezien de grootte van het oppervlak bepalend is voor de activiteit van de katalysator en dus voor de prestaties ervan, was industrieel gebruik nauwelijks een optie.
Dankzij ‘vernevelen’ een langere levensduur
De onderzoekers konden hun idee uitvoeren dankzij een speciaal proces dat kathode-verneveling wordt genoemd. Bij deze methode lossen individuele atomen van een materiaal (hier platina of kobalt) op -ze vernevelen- door bombardementen met ionen, zo leggen ze uit. De vrijgekomen gasvormige atomen condenseren dan als een lijmlaag. “Met het speciale vernevelingsproces en de daaropvolgende behandeling kan een zeer poreuze structuur worden bereikt die de katalysator een groot oppervlak geeft en tegelijkertijd zelfdragend is. Een koolstofbinding is dus overbodig”, zegt Dr. Gustav Sievers, eerste auteur van de studie van het Leibniz Institute for Plasma Research and Technology.
“Deze technologie is industrieel schaalbaar. Hij kan daarom ook worden gebruikt voor grotere productievolumes. Bijvoorbeeld in de automobielindustrie”, zegt Matthias Arenz. Het proces zou kunnen worden gebruikt om de waterstofcel verder te optimaliseren voor gebruik in het wegverkeer. “Onze bevindingen zijn dus van belang voor de verdere ontwikkeling van duurzaam energiegebruik, vooral met het oog op de huidige ontwikkelingen in de mobiliteitssector voor vrachtwagens”.
De wetenschappers hebben de resultaten van hun studie gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Materials. Het is een internationale samenwerking van de DCB met onder andere de Universiteit van Kopenhagen en het Leibniz Instituut voor Plasmawetenschap en Technologie, dat ook gebruik maakte van de infrastructuur van de Zwitserse Lichtbron (SLS) van het Paul Scherrer Instituut. De studie werd onder meer gefinancierd door de Zwitserse National Science Foundation (SNSF), het Duitse Bondsministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) en het Deense National Research Foundation Center for High-Entropy Alloy Catalysis.
Titelfoto: De nieuwe elektrokatalysator voor waterstof brandstofcellen bestaat uit een dun netwerk van platinakobaltlegeringen en heeft, in tegenstelling tot de tegenwoordig gangbare katalysatoren, geen koolstofbinding nodig. © Gustav Sievers
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
