“Elektrolyse lijkt makkelijk, maar is heel ingewikkeld”, aldus Marc Koper. Hoe het proces op atomaire schaal precies verloopt, dat wist de wetenschap tot voor kort eigenlijk niet. In het verleden heeft vooral trial and error steeds tot verbetering geleid.
Zo ontdekte men dat elektrolyse van water het efficiëntst werkt als de elektroden gemaakt zijn van iridiumoxide of rutheniumoxide. Een spanning van 1,5 Volt is dan voldoende om de watermoleculen te splitsen. Maar waarom dat zo is, daar was nog geen goed begrip van.
Gouden elektroden
In de laatste editie van het Britse wetenschappelijke tijdschrift Chemical Science beschrijven Koper en zijn collega’s het mechanisme achter de zuurstofvorming bij de waterelektrolyse. Vooral die is namelijk bepalend voor het elektrolyseverloop, meer dan de – gelijktijdige – vorming van waterstof. Ze gebruikten gouden elektroden, zodat ze met behulp van spectroscopische technieken de zuurstofvorming konden analyseren.
De onderzoekers zagen bij de start van de elektrolyse de vorming van een dunne oxidelaag om de gouden elektroden. Dat was bekend. Maar ze zagen ook dat de zuurstof die vervolgens vrijkomt, volledig bestaat uit zuurstofatomen die uit de oxidelaag afkomstig zijn. En dat is nieuw.
De zuurstofvorming is dus niet, zoals doorgaans gedacht, het resultaat van de wisselwerking van die oxidelaag met het omringende water. Daarmee blijkt elektrolyse fundamenteel anders te werken dan gedacht. Koper: “Bestaande ideeën en theorieën zullen moeten worden herzien.”
Betere materialen
Maar maakt dit inzicht nou zo veel uit? “Jazeker”, zegt Koper, “want nu we het mechanisme begrijpen, kunnen we veel gerichter gaan zoeken naar betere materialen om elektroden van te maken.” Kopers onderzoeksgroep doet inmiddels experimenten met elektrodes van platina en iridium. “Als we het mechanisme precies begrijpen, kan de computer straks berekenen welke materialen het meest geschikt zijn om als elektrode te dienen.”
Als elektrolyse van water goedkoper wordt, is dat een stimulans voor de waterstofeconomie: de omschakeling van onder andere auto’s op milieuvriendelijk waterstof in plaats van benzine. “En het wordt hopelijk mogelijk om goedkoop brandstoffen te maken via elektrolyse met zonlicht”, zegt Koper. Hij beseft dat zijn ontdekking slechts een stap in die richting is. “De langste periode waarover je in de wetenschap mag praten is tien jaar. Ik denk dat het zeker nog zolang duurt voordat er goede toepassingen zijn.”
In lijn met de geschiedenis
Koper zet in zekere zin het werk voort van Adriaan Paets van Troostwijk en Jan Rudolph Deiman, de Nederlandse natuurwetenschappers die in 1789 voor het eerst in de geschiedenis water wisten te ontleden tot zuurstof en waterstof. Zij gebruikten daarvoor de Grote Elektriseermachine, één van de meest bewonderde instrumenten in het Teylers Museum in Haarlem. Ook zij voerden de elektrolyse uit met behulp van gouden elektroden.
Het schilderij ‘De ovale zaal van Teylers Museum’, geschilderd door Wybrand Hendricks. Op de voorgrond de elektriseermachine.
Het onderzoek vond plaats in het kader van BioSolarCells, een vijfjarig onderzoeksprogramma waarin kennisinstellingen en bedrijven samenwerken.