Magnetisme verhoogt waterstofproductie in modelkatalysatoren

Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben aangetoond hoe de efficiëntie van waterstofproductie verbeterd kan in een experimentele opstelling. Ze lieten daarbij zien dat de magnetische volgorde van de moleculen een cruciale rol speelt.

Het onderzoek is verschenen in Applied Physics Reviews.

Om meer groene waterstof te produceren is het ontwerp van efficiënte katalysatormaterialen essentieel. Katalysatorenmaterialen verhogen de efficiëntie en daarmee de snelheid van de chemische reactie die (groene) waterstof produceert. Verschillende theoretische onderzoeken toonden al aan dat de magnetische eigenschappen van de katalysator deze efficiëntie en snelheid beïnvloeden. Experimenteel bewijs voor deze verbeteringen was er nog weinig. Met name bewijs voor de rol van magnetische eigenschappen die er zijn zonder externe magnetische velden ontbrak.

Kleine magneten uitlijnen

Tot nu! De onderzoekers zetten de magnetische ‘spins’ van de atomen in de katalysator in dezelfde richting terwijl de reactie plaatsvond. Ze zagen dat deze uitlijning van al deze kleine magneetjes de reactiesnelheid verhoogde. “Hoewel we op fundamentele schaal werken, kan dit onderzoek belangrijk zijn voor efficiënte waterstofproductie”, zegt eerste auteur Emma van der Minne.

De onderzoekers gebruikten een eenvoudige aanpak om de magnetische spins af te stemmen terwijl de reactie bezig was. Van der Minne legt uit: “We verlaagden de temperatuur tijdens de reactie. Door de veranderingen in de reactiesnelheid tijdens deze temperatuurverlaging te vergelijken voor twee katalysatoren met verschillende magnetische toestand, ontdekten we dat de activiteit daadwerkelijk wordt verhoogd door deze zogenaamde ‘magnetische orde’. Dat dit zelfs gebeurt zonder een extern magnetisch veld was voorheen onduidelijk. Ons onderzoek geeft ons dus nieuwe mogelijkheden om het ontwerp van katalysatoren voor grootschalige waterstofproductie te verbeteren.”

Extern magnetisch veld

Maar dat is nog niet alles. Naast het bovenstaande ontdekten de onderzoekers dat het toepassen van een extern magnetisch veld de katalysator nog effectiever maakte. De oriëntatie van het externe magnetische veld bleek cruciaal: het moest precies in lijn liggen met de magnetische eigenschappen van het materiaal. Door te begrijpen hoe zowel het interne als externe magnetisme van invloed zijn op de reacties die betrokken zijn bij de productie van (groene) waterstof, komen we een stap dichter bij een duurzamere toekomst.