De onderzoekers van de faculteit Technische Natuurwetenschappen (TU Delft) richtten zich op de verbetering van elektrolytmateriaal. Dit is het materiaal tussen twee elektroden, bijvoorbeeld in een brandstofcel of in een batterij. Hoe beter de eigenschappen van de elektrolyt, hoe beter, compacter of efficiënter de brandstofcel, of de batterij werkt.
Hoe werkt een brandstofcel?
Er gaat waterstof en zuurstof in en dat levert elektriciteit en water op. Waterstof en zuurstof komen in afzonderlijke kamers van de cel terecht, gescheiden door een zogenaamd elektrolyt. Beide kamers bevatten een elektrode: een negatieve (anode) bij waterstof en een positieve (kathode) bij zuurstof. De anode werkt als katalysator, waardoor waterstof opsplitst in protonen en elektronen. De elektronen, afgestoten door de anode, willen weg uit deze kamer. Door het elektrolyt kan niet, dus zullen ze via een elektriciteitsdraad die buitenom de elektroden verbindt naar de kathode reizen. Hun energie kun je onderweg aftappen en dat geeft eindproduct één: elektriciteit. De protonen kunnen wel door de elektrolyt en komen bij de kathode weer samen met de elektronen. De kathode katalyseert de reactie waarbij de elektronen en protonen met zuurstof reageren tot eindproduct twee: water.
De elektrolyt is meestal een vloeistof, maar dat heeft een aantal nadelen. Zo moet de vloeistof zeer goed worden opgesloten en neemt hij relatief veel ruimte in. “Liever zou je dus een elektrolyt uit een vaste stof hebben”, zegt promovendus Lucas Haverkate. “Helaas zitten daar weer andere nadelen aan. Zo is de geleiding in een vaste stof slechter dan in een vloeistof.”
File op de snelweg
“In een vaste stof heb je immers te maken met een rooster van ionen (atomen met meer of minder elektronen), waarbij vrijwel alle posities in het rooster bezet zijn. Dit maakt het moeilijk voor de geladen deeltjes (protonen) om van de ene elektrode naar de andere elektrode te bewegen. Het is een beetje te vergelijken met een file op de snelweg. Wat je wilt, is vrije plekken creëren in het rooster.”
Een van de methodes om dit te bereiken en zo de geleiding in vaste elektrolyten te verhogen, is het toevoegen van nanokristallen (van zeven tot ongeveer vijftig nanometer), in dit geval van titaandioxide. “Deze kristallen hebben de eigenschap dat ze protonen naar zich toe trekken, waardoor er wat ruimte in het rooster wordt gecreëerd.”
De nanokristallen worden in de elektrolyt gemixt met een vast zuur (CsHSO4). Dit laatste materiaal ‘levert’ de protonen aan de kristallen. “De toevoeging van de kristallen blijkt een enorme sprong in het geleidingsvermogen te veroorzaken, tot wel een factor honderd”, zegt Haverkate.
Experiment en theorie komen overeen
Deze opvallende resultaten van de TU Delft hebben inmiddels tot twee publicaties in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Functional Materials geleid. Afgelopen december publiceerde Haverkate over de theorie achter de gevonden resultaten. Zijn collega-promovendus Wing Kee Chan is deze week hoofdauteur van een tweede publicatie in hetzelfde blad. Chan richtte zich op de experimentele kant van het onderzoek. “Het mooie van de twee publicaties is dat de experimentele resultaten en de theoretische onderbouwing heel goed overeenkomen”, zegt Haverkate.
Chan heeft aan het elektrolyt-materiaal gemeten via de techniek neutrondiffractie. Hierbij stuurt men neutronen door het materiaal. Uit de verstrooiing van de neutronen kan men bepaalde eigenschappen van het materiaal afleiden, onder meer de dichtheid van protonen in de kristallen. Haverkate: “Het is voor het eerst dat er op deze manier en op deze zeer kleine schaal, is gemeten aan vaste-stof elektrolyten. Dat we bij het Reactor Instituut Delft beschikken over nucleaire onderzoekstechnieken, is daarbij van enorme toegevoegde waarde geweest.”
Effect nanokristallen in kaart
De zoektocht naar een geschikte vaste-stof elektrolyt stopt overigens niet bij de combinatie van titaandioxide en CsHSO4. Er zullen andere combinaties van materialen worden getest, die wellicht beter scoren op punten als stabiliteit. Prof. dr. Fokko Mulder, promotor van Haverkate en Chan: “Het gaat ons in dit stadium meer om het verwerven van fundamenteel inzicht en om een goed model, dan om de concrete vraag wat nu het meest geschikte materiaal is. Belangrijk is dat we het effect van nanokristallen in kaart hebben gebracht en ook theoretisch onderbouwd. Ik zie potentie voor deze elektrolyten. Ze hebben bovendien als extra voordeel dat ze goed blijven werken over een groot temperatuurbereik, wat vooral interessant is voor toepassing in brandstofcellen.”
Zie ook:
- Fuelcells.org (uitgebreide website over brandstofcellen)
- (Artikel Chemie Magazine, februari 2010)
Lees meer over brandstofcellen op Kennislink:
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/brandstofcel/brandstofcellen/index.atom?m=of", “max”=>"6", “detail”=>"minder"}