Je leest:

Queeste naar de ideale katalysator

Queeste naar de ideale katalysator

Auteur: | 4 mei 2006

Auto’s op waterstof is niet het eerste waar elektrochemicus prof.dr. Marc Koper aan denkt bij zijn zoektocht naar betere brandstofcellen, al is dat maatschappelijk de meest aansprekende toepassing. Hij wil het probleem fundamenteel wetenschappelijk aanpakken: eerst de principes beter leren begrijpen en dan kan aan de hand daarvan bekeken worden of er betere katalysatoren gemaakt kunnen worden. Met een Vici-subsidie van NWO doet Koper de komende vijf jaar onderzoek. ‘Over vijf jaar heb ik geen betere brandstofcel’, zegt hij, ‘maar wel een beter begrip van de reacties aan brandstofcelkatalysatoren.’

Marc Koper: ‘In de katalyse is het een soort heilige graal: katalyse met één enkel nanodeeltje.’ Foto: RU Leiden

Katalytische reforming

‘Waterstof kan op twee verschillende manieren gemaakt worden’, vertelt Koper. ‘Een van die manieren, namelijk uit een koolwaterstof, bijvoorbeeld benzine, is relatief makkelijk. Een alternatieve manier is via elektrolyse met zonlicht uit water. Dat zou het mooiste zijn.’ De auto-industrie zet in op de eerste methode. Een koolwaterstof wordt via een proces van katalytische reforming omgezet in waterstof en CO2 (kooldioxide). Dat kan aan boord van een auto. De waterstof wordt vervolgens omgezet in elektriciteit. Koper: ‘Dat klinkt omslachtig, maar het voordeel is dat het proces werkt bij een lagere temperatuur dan bij een verbrandingsmotor. De efficiëntie is dus hoger en er is minder CO2-uitstoot. Een bijkomend voordeel is dat stikstof uit de lucht niet wordt omgezet in stikstofoxides. Deze zijn schadelijk voor de ozonlaag en veroorzaken smog en dergelijke. Het voordeel van de vermindering van de CO2-uitstoot is niet revolutionair, waarschijnlijk 5 tot 10%.’

Ethanol

Welke koolwaterstoffen te gebruiken, is een politieke beslissing. Het geschiktst zijn methanol of ethanol (typen alcohol), omdat die makkelijk om te zetten zijn in waterstof. Koper: ‘Maar de olie-industrie zet natuurlijk in op benzine.’ Een bijkomend probleem bij de omzetting is dat er altijd een kleine hoeveelheid CO (koolmonoxide) vrijkomt. Dat is niet te voorkomen en die bindt erg sterk aan het platina in de katalysator die daarmee vergiftigd wordt. Platina is het metaal waarmee in de katalysator de feitelijke katalyse wordt verricht. ‘Het gaat er dus om een katalysator te maken die CO-tolerant is’ zegt Koper. ‘Als je de CO er nu snel vanaf kunt oxideren en tegelijk de waterstof kunt oxideren, dan ben je al een heel stuk verder.’ Bij ‘afoxideren’ wordt van de CO CO2 gemaakt die vervolgens in de lucht verdwijnt. Snelle oxidatie is belangrijk want de snelheid daarvan bepaalt het vermogen van de brandstofcel.

Binding

Ethanol zou volgens Koper een ideale brandstof zijn, maar deze is moeilijk te oxideren. ‘Ethanol bestaat uit twee koolstofatomen, een binding tussen die twee met wat waterstof eromheen’, zegt Koper. ’Het verbreken van de binding is het moeilijkste. Je hebt een katalysator nodig die dat goed kan en die ook de ethanol volledig omzet naar CO2. Er moeten niet allerlei tussenproducten ontstaan die de brandstofcel weer vergiftigen. Ik wil het platina van de katalysator modificeren door er twee of drie metalen aan toe te voegen, zodat de reactie versneld wordt.

Een nanodeeltje; ieder bolletje is een atoom. De stippellijnen geven de randen aan. Beeld: RU Leiden

Nanodeeltjes

Een ander aspect dat Koper onder handen wil nemen is het creëren van zoveel mogelijk actieve centra aan het metaaloppervlak van de katalysator. Koper: ‘In de heterogene katalyse (katalyse met behulp van metaal) doen we dat door heel kleine metaaldeeltjes te maken, de zogenoemde nanodeeltjes.’ De vraag waar Koper zich mee bezighoudt, is hoe de activiteit van een nanodeeltje afhangt van zijn vorm en grootte. Bij de deeltjes (zie afbeelding hierboven) zijn de randen katalytisch actief, omdat daar de oppervlakteatomen met minder andere atomen in het deeltje zijn verbonden. Daardoor is er bindingsenergie beschikbaar. Op die plekken bindt de ethanol en vindt de reactie plaats. ‘Je zou zeggen: hoe kleiner de deeltjes, hoe meer randen’, zegt Koper. ‘Maar de vraag is of dat echt zo is.’ Omdat het heel moeilijk is om aan deze deeltjes metingen te verrichten, doet Koper een stap terug en gebruikt hij een oppervlak. Hij neemt een kristal en polijst dat, zodat zogenoemde terrassen en stappen ontstaan (zie volgnede afbeelding). Op de stappen zou de katalyse moeten plaatsvinden.

Een gepolijst kristal met terrassen van vijf atomen breed. Beeld: RU Leiden

Sabatierprincipe

Bij de proeven ontdekte Koper dat de reactiesnelheid rechtevenredig is met de hoeveelheid stappen. Dat suggereert dat de reactie plaatsvindt aan de stappen en aan de terrassen helemaal niet. Een logische conclusie is dan dat de reactie sneller gaat als de deeltjes steeds kleiner worden. Koper: ‘Niets is minder waar. Als de deeltjes kleiner worden, wordt de reactie langzamer. Dat begrijp ik niet, maar ik wil wel graag weten waar het aan ligt.’

Koper wil op een aantal manieren uitzoeken wat de oorzaak is. ‘Tegenwoordig is met kwantumchemische codes behoorlijk nauwkeurig uit te rekenen wat er precies gebeurt. Misschien blijken de randen moleculen gewoon te sterk te binden. Zo sterk dat er geen activiteit meer is en alles blijft plakken. Volgens het Sabatierprincipe moet de stof sterk binden om de katalyse snel te laten verlopen. Maar niet tè sterk, want dan blijft de stof hechten. Het moet een kwestie zijn van hechten aan het platina, reageren en er weer vanaf. Een soort gulden middenweg. Ik vermoed dat de randen aan de verkeerde kant van de gulden middenweg zitten.’

Water

Naast berekeningen maken, wil Koper overstappen van het goed gedefinieerde gepolijste oppervlak, naar goed gedefinieerde nanodeeltjes. Daarvoor heeft hij één deeltje nodig, waarvan hij precies weet waar elk atoom zit. Daarmee wil hij katalyse verrichten en de activiteit ervan relateren aan de structuur. ‘Ik ben niet de enige die dat wil’, vertelt Koper. ‘In de katalyse is het een soort heilige graal: katalyse met één enkel nanodeeltje. Samen met iemand uit Delft ga ik proberen zulke nanodeeltjes te maken.’ Naast het proberen te begrijpen van de oxidatiemechanismen van bijvoorbeeld ethanol en de relativiteit van kleine nanodeeltjes, gaat Koper kijken naar de rol van het water in het proces. Bij de oxidatie wordt zuurstof verbruikt. Die zuurstof is afkomstig uit het water. Koper: ‘Water is in de elektrochemie heel belangrijk omdat de katalyse bijna altijd plaatsvindt aan metaal-water grensvlakken. Er is weinig bekend over het gedrag van water in zo’n omgeving.

Brandstofcel

De brandstofcel is al in 1839 door de Engelsman Sir William Grove uitgevonden. Een brandstofcel is een elektrochemisch apparaat dat de chemische energie van een doorlopende reactie rechtstreeks omzet in elektrische energie. Anders dan bij een batterij of accu wordt voortdurend nieuwe brandstof van buiten aangevoerd.

Schematische weergave van een brandstofcel.

De anode wordt gevoed met een constante brandstofstroom, terwijl de oxidator (meestal zuurstof uit de lucht) met een constante stroom aan de kathode wordt toegevoerd. De oxidatie- en reductiereacties vinden plaats aan verschillende elektroden. De scheiding van deze reacties heeft tot gevolg dat een negatieve lading wordt opgebouwd in de anode en een positieve lading in de kathode. Door een stroomkring aan te brengen kan elektrische energie onttrokken worden aan de reacties. Tussen de elektroden bevindt zich een elektrolyt, die de overdracht van ladingen tussen beide elektroden mogelijk maakt en zo de stroomkring sluit.

De brandstofcel van Sir William Grove en een moderne van Toshiba.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Universiteit Leiden.
© Universiteit Leiden, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 04 mei 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.