Dit is hoe natuurkundigen een steentje bijdragen aan de energietransitie
Onderzoek naar oppervlaktes van vaste stoffen: het lijkt misschien niet relevant voor energieverbruik, maar toch is het zo. Marcel Rost bestudeert hoe platina-elektroden slijten. Die elektroden zijn een cruciaal onderdeel in brandstofcellen voor auto’s op waterstof. ‘We moeten de overstap maken van energie uit fossiele brandstoffen naar waterstof.’
Rost begint enthousiast over de Toyota Mirai, een auto die rijdt op waterstofgas. ‘Zulke auto’s zijn de toekomst! Rijden op elektriciteit is voor grotere voertuigen niet praktisch, omdat de batterijen te zwaar worden. Maar met waterstof kan het wel. En platina is het beste materiaal voor de brandstofcel in zo’n auto. Er is alleen één probleem: het slijt en is duur om te vervangen. Dus kloppen de mensen van Toyota bij ons aan.’ De Leidse oppervlaktefysicus werkt samen met electrochemicus Marc Koper. Dankzij hun gecombineerde expertise en de unieke microscoop die Rost heeft gemaakt, zijn ze wereldwijd koploper in dit onderzoeksveld.
Platina in brandstofcel slijt
Eigenlijk is Rost zijn onderzoek heel fundamenteel. Hij bestudeert een proces dat nucleatie heet. ‘Het platina begint als een vrijwel perfect vlak oppervlakte waarbij alle atomen netjes in een rooster zitten’, vertelt Rost. ‘Maar na verloop van tijd groeien er allemaal bergjes atomen op het oppervlak. Dit atomaire proces waardoor het platina verruwt zorgt er ook voor dat de levensduur van de brandstofcel beperkt is.’ De vorming van die bergjes konden ze eerder al waarnemen. Nu is Rost een stapje dichterbij om te begrijpen hoe dat gebeurt.
Atomen dansen over het oppervlakte
Nucleatie onstaat door platina-atomen die loskomen uit het rooster. Ze zwerven los over het oppervlak en vinden het gat in het rooster waar ze uit kwamen niet meer terug. ‘We zien dat de bergjes ontstaan in een heel geordend patroon op het platina en in eilandjes die steeds hoger worden. Dat is ontzettend gek! Normaal groeien die bergjes op willekeurige plekken en smelten de eilandjes samen.’
Tijdens het gebruik van de brandstofcel komt er een laagje platina-oxide op het platina. Dat is een molecuul van één platina- en twee zuurstofatomen. Door hun komst passen niet alle atomen meer goed op hun plek in het rooster en komt er spanning in de atoomstructuur. Als de spanning te hoog oploopt, wordt er een atoom uitgeknikkerd. Die losse atomen plakken aan elkaar en vormen bergjes.
Een spookachtig model
Er zijn slechts twee mogelijke oorzaken voor het regelmatige patroon van de bergjes. ‘Er zijn óf voorkeurslocaties, óf er is een afstotende kracht. We denken nu dat die voorkeurslocaties er niet meteen zijn, maar al snel vormen.’ Samen met zijn voormalige PhD kandidaat Leon Jacobse ontwikkelde Rost daarvoor een model genaamd spoke wheels. In dat model zitten de platina-atomen in de vorm van een zeshoekig spaakwiel in het rooster. Dat model kan alle waarnemingen verklaren, maar hard bewijs is er nog niet. Lachend zegt hij: ‘Dus noem ik ze ook wel spook wheels: misschien zijn ze er wel, maar we zien ze niet’
Intussen heeft PhD kandidaat Francesc Valls Mascaro het voor elkaar gekregen om rijtjes atomen waar te nemen met de microscoop, dat zouden zomaar de spaken van het wiel van hun model kunnen zijn. Rost vindt het in elk geval geweldig dat zijn werk een verschil kan maken: ‘Om onze kinderen een toekomst te geven, moet de stekker uit fossiele brandstoffen. En dat kan alleen met waterstof. Ik werk opeens aan een van de meest actuele problemen, dat is toch fantastisch!’
Lees de wetenschappelijke publicaties in het Journal of The Electrochemical Society en Angewandte Chemie International Edition.