Efficiënte brandstofcel een stap dichterbij
De zuurstofomzetting door moleculaire koperkatalysatoren verloopt anders dan tot nu toe werd gedacht. Michiel Langerman van het Leids Instituut voor Chemisch Onderzoek (LIC) wist de werking van koperkatalysatoren voor deze belangrijke reactie op te helderen. Deze kennis biedt mogelijkheden om nieuwe efficiëntere brandstofcellen te ontwikkelen. Promotie op 12 oktober.
De reductie van zuurstof, een zeer essentiële reactie voor de werking van een brandstofcel, verloopt op een andere manier dan tot nu toe werd verondersteld. In brandstofcellen worden waterstof en zuurstof met behulp van katalysatoren omgezet in water en elektriciteit. Een veelgebruikte katalysator voor de reductie van zuurstof is platina. Maar dit is een zeldzaam en daardoor duur metaal. Langerman: “We wisten vanuit de natuur dat het koperenzym Laccase, dat in veel schimmels, planten en micro-organismen voorkomt, heel efficiënt zuurstof reduceert. Voor ons vormde dit de aanleiding om een ander kopercomplex, Cu-tmpa, op een elektrochemische manier te bestuderen.”
"Brandstofcellen en waterstof zullen in de toekomst een belangrijke rol gaan spelen in de grootschalige opslag van energie. Hoe efficiënter we de katalysatoren kunnen maken, hoe lager de kosten van deze systemen zijn"
Tot nu toe dacht men dat er twee kopercentra nodig waren die samen één zuurstofmolecuul omzetten naar water, vervolgt hij. “Wij ontdekten al vrij snel dat er maar één katalysatormolecuul nodig was. Doordat we hiermee een veel beter inzicht hebben verkregen in het katalytisch mechanisme van de zuurstofreductiereactie, biedt deze vinding aanknopingspunten voor het ontwerpen van nieuwe efficiëntere koperkatalysatoren en dus efficiëntere brandstofcellen”, vervolgt hij. “Brandstofcellen en waterstof zullen in de toekomst een belangrijke rol gaan spelen in de grootschalige opslag van energie. Hoe efficiënter we de katalysatoren kunnen maken, hoe lager de kosten van deze systemen zijn.”
Kopercomplex iets aanpassen
Het positieve van het kopercomplex Cu-tmpa is dat het in korte tijd veel zuurstof kan omzetten, vertelt Langerman. Wel is er veel efficiëntieverlies tijdens de reactie, in de vorm van een overpotentiaal. “Je moet dus een balans vinden; wil je snelle katalysatoren, waar je minder per oppervlak van nodig hebt . Of wil je langzamere katalysatoren met een lager potentiaalverlies, waarmee een brandstofcel een hogere spanning kan bereiken.” Je kunt ook kijken naar een ander ontwerp van een kopercomplex. Door bijvoorbeeld aanpassingen te doen in het ligandmolecuul, dat is het deel van het kopercomplex Cu-tmpa dat aan het koper bindt, kun je de energietoestand verbeteren. Daar gaan mijn collega’s van het Leids Instituut voor Chemisch Onderzoek mee verder.”
Waterstofperoxide als verrassend tussenproduct
Iets anders verrassends dat Langerman ontdekte, was dat tijdens de omzetting van zuurstof in water bij een bepaalde stroomspanning waterstofperoxide als tussenproduct werd gevormd. Voor een brandstofcel is dat onhandig, legt hij uit. Waterstofperoxide is een reactieve stof die de werking van de katalysator kan verminderen of blokkeren. Maar voor andere toepassingen kan het juist heel nuttig zijn, vertelt hij. “Waterstofperoxide is een veelgebruikte stof in de industrie en het wordt onder andere gebruikt als bleek- en ontsmettingsmiddel. Het wordt nu geproduceerd met behulp van een dure palladiumkatalysator. Deze methode kost veel energie en geeft veel afval. Wij doen het ‘gewoon’ in water en zonder palladiumkatalysator, wat het veel duurzamer maakt.”
Omgekeerde versie van brandstofcel
Uit vervolgonderzoek moet blijken of het kopercomplex op grote schaal toepasbaar is voor de productie van waterstofperoxide. Langerman zelf gaat iets anders doen: hij zal bij TNO en S[&]T onderzoek doen naar de productie van waterstof. “We gaan kijken hoe we op een duurzame manier waterstof kunnen produceren door middel van de elektrolyse van water. De omgekeerde versie van een brandstofcel dus.”
Tekst: Carin Röst