Energie opslaan in waterstof 20 keer effectiever met katalysator van platina-nikkel

Het onderzoek is gepubliceerd in Science.

TU/e-hoogleraar katalyse Emiel Hensen: "Collega-onderzoekers uit China ontwikkelden de legering van platina en nikkel, waarmee de kosten van katalyse omlaag gaan en de activiteit juist omhoog. Bij de TU/e hebben we de invloed van nikkel op de meest belangrijke reactiestappen onderzocht. Hiervoor ontwikkelden we een computermodel gebaseerd op beelden van een elektronenmicroscoop. Met kwantumchemische berekeningen wisten we zo de activiteit van de nieuwe legering te voorspellen, en konden we begrijpen waarom deze nieuwe katalysator zo effectief is."

Succesvol getest in brandstofcel

Naast de andere metaalkeuze, wisten de onderzoekers ook de morfologie flink aan te passen. Hensen: "Je wilt zoveel mogelijk metaaloppervlak beschikbaar maken. De ontwikkelde holle nanokooien zijn ook van binnenuit te benaderen. Zo ontstaat een groot oppervlak, waardoor meer materiaal tegelijkertijd kan reageren." Hensen toonde met kwantumchemische berekeningen aan dat de specifieke oppervlaktestructuren die de nanokooien vertonen de activiteit nóg verder verhogen.

Beide oplossingen blijken na het doorrekenen in Hensen’s model een 20 keer hogere activiteit op te leveren dan de huidige katalysatoren van platina: een resultaat dat de onderzoekers ook terugvonden in experimentele tests in een brandstofcel. Voor toepassing in een auto of woonhuis moet een katalysator zo stabiel zijn dat hij jarenlang blijft werken. De onderzoekers hebben de katalysator daarom 50.000 ‘ronden’ getest in de brandstofcel, en zagen daarbij een te verwaarlozen afname in activiteit.

Elektrolyzer in elke wijk

De mogelijkheden voor de nieuwe katalysator zijn legio. Zowel in de vorm van de brandstofcel, als bij de omgekeerde reactie in een elektrolyzer. Zo worden brandstofcellen gebruikt in waterstofauto’s, maar ook sommige ziekenhuizen hebben nu al noodaggregaten met brandstofcellen die op waterstof lopen. Een elektrolyzer kan bijvoorbeeld toegepast worden bij windmolenparken op zee of misschien zelfs naast elke windmolen. Vervoer van waterstof is namelijk veel goedkoper dan vervoer van elektriciteit.

Hensen droomt verder: "Ik hoop dat we straks in elke wijk een electrolyzer kunnen neerzetten. Dit apparaat van koelkastformaat slaat alle energie van de zonnepanelen op de daken in de wijk overdag op als waterstof. De ondergrondse gasleidingen vervoeren voortaan waterstof, en de CV-ketel in huizen wordt vervangen voor een brandstofcel. Deze laatste zet het opgeslagen waterstof weer om naar elektriciteit. Zo maken we optimaal gebruik van zon."

Maar daarvoor moet de elektrolyzer nog wel flink worden doorontwikkeld. Hensen is daarom samen met andere TU/e-onderzoekers en industriële partners betrokken bij het opstarten van het energie-instituut van de TU Eindhoven. Het doel is om de elektrolyzers die nu op de markt zijn flink op te schalen, tot een elektrolyzer op koelkastformaat van ongeveer 10 megawatt.