27/04/2017
Door Ad Spijkers
Brandstofcellen op zuurstof en waterstof hebben deze chemische elementen in zuivere vorm nodig. Wetenschappers uit Ulm en Peking hebben een methode ontwikkeld om robuuste én economische katalysatoren te produceren.
De katalysatoren die worden gebruikt bij de splitsing van water in elementair waterstof en zuurstof zijn gevoelig voor redoxreacties. Vooral de vorming van zuurstof is een probleem.
Bij de nieuwe methode worden bepaalde polyoxometallaten (POM's) gebruikt. Deze bijzondere metaaloxides zijn moleculaire clusters uit zogeheten overgangsmetalen, die door zuurstofatomen met elkaar zijn verbonden en daarbij driedimensionale netwerken vormen.
Katalysatoren
Op grond van hun hoge redoxactiviteit en hun uitstekende stabiliteit onder oxiderende condities zijn ze het best geschikt als katalysatoren voor de zuurstofvorming. In de reactieve centra van deze metaaloxideclusters zijn de chemische elementen nikkel en kobalt ingebouwd.
Deze beide overgangsmetalen voldoen op ideale wijze aan de eisen voor de oxidatie van water. Het toegevoegde wolfram, dat eveneens tot de overgangsmetalen behoort, dient als structuur stabiliserend element. Deze zogeheten Dexter-Silverton-Polyoxometallaten zijn als katalytisch actieve materialen veel goedkoper dan de anders gebruikelijke edelmetalen zoals platina. Voor commerciële toepassing biedt dit duidelijke voordelen.
Als materiaal voor de elektroden gebruikten de wetenschappers een metaalschuim uit nikkel, dat op grond van zijn hoge geleidbaarheid en bijzondere oppervlaktestructuur zijn waarde bij de elektrolyse heeft bewezen. Maar hoe brengt men het katalytisch actieve POM er toe een stabiele verbinding aan te gaan met de nikkelschuimelektrode?
Polyoxometallaten
Een onderzoeksteam van de Universität Ulm en de Bejing University of Chemical Technology is het gelukt via een eenvoudige hydrothermale methode de oorspronkelijk gesloten polyoxometallaten als microkristallen op het elektrodeoppervlak af te zetten. De elektroden waarvoor acht uur lang bij 180°C in een POM-oplossing gedompeld. Onder de rasterelektronenmicroscoop kan men de POM-kristallen duidelijk herkennen. Ze vertonen bijzondere kristallijne vormen en zijn vast verbonden met het elektrodeoppervlak.
Analyses toonden aan dat zowel de morfologie als de kristalstructuur van de POM katalysator na de katalyse volledig intact zijn gebleven. Er brokkelt niks af en er lost niks op. Daarmee kon de uitstekende stabiliteit in het alkalische milieu onder oxidatieve condities worden bewezen.
Nieuwe elektrode
In vergelijking met vergelijkbare, op kobalt gebaseerde elektroden die voor de zuurstofontwikkeling worden ingezet, werd aangetoond dat de door de wetenschappers nieuwe ontwikkelde NiCo-POM/Ni-elektrode niet alleen kon overtuigen met betrekking tot hun elektrochemische vermogen, maar ook speelruimte biedt om de reactiviteit van het materiaal op moleculair niveau te sturen.
De controle van de kristalgrootte speelt daarbij een sleutelrol. Hoe kleiner de POM-kristallen zijn, des te groter wordt het reactieve oppervlak waaraan deze elektrochemische processen kunnen verlopen. (foto: Elvira Eberhardt / Universität Ulm)