Brandstofcellen kunnen met minder platina toe

In een brandstofcel wordt waterstof (H₂) en zuurstof (O₂) uit de lucht omgevormd tot water en elektrische stroom. Dat klinkt simpel, maar er zijn geavanceerde membranen nodig en platina katalysatoren om het proces aan de gang te houden. De hoeveelheid platina (Pt) is teruggebracht tot 10 gram per auto. Maar platina bepaalt 30 procent van de kosten van een brandstofcel.

Volgens dr. Emma Westsson, die promotieonderzoek deed naar katalysatoren in brandstofcellen, zien fabrikanten de behoefte aan platina als een ‘urgent probleem’. Niet alleen vanwege de marktprijs (momenteel zo’n 30 dollar per gram), maar ook vanwege de geopolitieke afhankelijkheid. Het edelmetaal wordt op slechts twee plaatsen op aarde gewonnen: Zuid-Afrika en Rusland.

Nørskov curve. (Ilustration from PhD-thesis)

Een goede katalysator is als een Post-it memo: het kleeft net genoeg, maar niet te veel. De Deense onderzoeker Jens Nørskov ontwikkelde een grafiek die de aantrekkelijkheid van verschillende metalen als katalysator verbeeldt als een vulkaan. Naarmate de binding aan zuurstof toeneemt, stijgt ook de katalytische activiteit. Maar na platina (Pt in de grafiek), wordt de zuurstof-metaal binding te groot. De katalytische activiteit neemt af omdat zuurstof te lang blijft plakken.

Smartiekatalysators sparen platina. (Illustratie: Marjolein van der Veldt)

Platina blijft de beste katalysator, maar Westsson wilde de hoeveelheid verminderen door Smartie-achtige katalyse bolletjes te ontwikkelen. De buitenkant van de 2 tot 3 nanometer kleine bolletjes bestaat uit platinum, maar de kern is van een ander metaal. Volgens haar begeleider dr.ir. Ger Koper (faculteit Technische Natuurwetenschappen) is daardoor de helft minder platina nodig. Volgens Westsson is de katalytische activiteit voor ijzer, nikkel en koperkern gelijk aan of beter dan puur platina bolletjes.

Platina dat zich aan een ander kristalrooster hecht ondervindt stress. Om te beginnen zijn Pt-atomen (atoomnummer 78) groter dan de atomen van ijzer (26), nikkel (28) of koper (29) van de kern. Platina atomen worden dus opeen geperst. Daarnaast voegt de sterke kromming van de kern nog extra spanning toe.

Stress is goed voor katalyse, vond Westsson. Ze liet zien dat de katalytische activiteit toenam in platina-bolletjes met een kern van ijzer of koper. Katalysatoren met een nikkelkern werden juist minder actief.

“Ze heeft regelbare katalysatoren ontwikkeld”, zegt Koper. “De activiteit van de katalysator is te beïnvloeden door een ander metaal als kern te nemen, of door de roosterspanning te veranderen.” Dat is de wetenschappelijke basis. “We laten het nu aan bedrijven over om een optimale combinatie te ontwikkelen.”

Westsson denkt dat door zorgvuldige afstemming andere metalen aan de top van de Nørskov curve kunnen komen. Ze schrijft: “Andere metalen dan Pt kunnen bestudeerd worden, en mogelijk de plaats innemen van platina als meest actieve zuurstofreductie katalysator.”

Vier jaar geleden ontwikkelde dezelfde onderzoeksgroep onder leiding van prof.dr. Stephen Picken koolstof nano netwerken voor gebruik in brandstofcellen.

(Foto: Jos Wassink)

Emma Westsson, Low Noble Metal Content Catalysts for Hydrogen Fuel Technology, Promotors Professor Stephen Picken en Dr Ger Koper (Faculteit TNW), 20 September 2019.