Brandstofcellen, die waterstof en zuurstof in energie omvormen worden door sommigen gezien als de milieuvriendelijke elektrische centrales van de toekomst. Om deze omvormers in de toekomst zo efficiënt mogelijk laten werken voor de aandrijving van elektrische auto’s of smartphones wordt intensief onderzoek gedaan, vooral met ‘zure’ brandstofcellen. Wetenschappers van het Ulmer Institut für Theoretische Chemie hebben zich de laatste twee jaren beziggehouden met alkalische brandstofcellen.
In tegenstelling tot hun zure tegenhangers, waarvoor platina de beste katalysator is, is voor het alkalische medium bijvoorbeeld goud al voldoende om het elektrochemisch proces in gang te zetten. Het enige wat ontbreekt, is een high performance membraan.
Zodra dit beschikbaar is, en is al een aantal veelbelovende benaderingen voor, zal de alkalische brandstof cel op de voorgrond komen, denken de onderzoekers. De alkalische variant is goedkoper, efficiënter en heeft een langere levensduur. Fundamentele theoretische overwegingen met betrekking tot alkalische en zure cellen zijn al gepubliceerd. De focus ligt hierbij op de zuurstofreductie. Deze stap verloopt in veel van de huidige brandstofcellen te langzaam en is daarmee inefficiënt.
Bij brandstofcellen zijn twee elektroden via een uitwendige stroomkring met elkaar verbonden en afgedekt door een dunne laag, die als katalysator elektrochemische processen veroorzaakt. Uit waterstof en zuurstof, die worden toegevoerd naar de elektroden, ontstaat uiteindelijk energie en water. De beide elektroden worden gescheiden door een voor ionen doorlaatbaar membraan, dat verhindert, dat waterstof en zuurstof met elkaar mengen voordat ze reageren.
Elektrokatalyse
Waarom is een relatief goedkopere katalysator zoals goud in alkalisch milieu voldoende terwijl deze in een zuur milieu niet kan functioneren? Dat zijn vragen, die de onderzoekers met behulp hun ‘Theorie der elektrokatalyse’ hebben beantwoord.
Om de snelheid van de reacties in oplossingen te begrijpen, hebben ze omvangrijke kwantum statistische berekeningen gecombineerd met de ‘Density Functional-Theory’. Het gaat daarbij om een programma voor het berekenen van de chemische eigenschappen.
Het leverde interessante resultaten op. In het alkalische milieu is de eerste reactiestap thermodynamisch gunstig. Men heeft zelfs geen katalysator nodig, omdat de zuurstofreductie vanzelf verloopt op een afstand van een paar Ångström. In zuren is dit alleen efficiënt als een goede katalysator ervoor zorgt, dat de zuurstof van tevoren wordt geabsorbeerd. In andere gevallen is de eerste stap energetisch te ongunstig.
Deze bevindingen kunnen ook op nieuwe lithium-lucht batterijen worden overgedragen. Omdat het potentieel van lithium-ion nagenoeg is uit ontwikkeld, hebben deze batterijen met een theoretisch veel hogere energiedichtheid een grote toekomst. De theoretische overwegingen zouden voor experimenteel werkende collega’s belangrijke aanwijzingen kunnen geven voor de constructie van effectievere batterijen en veel geld en tijd kunnen besparen, aldus de onderzoekers.
Internationale samenwerking
Het onderzoek werd verricht binnen het project „Theory meets Experiment: Elementary Steps in Electrocatalysis“. Behalve wetenschappers uit Ulm waren onderzoekers uit Argentinië en Rusland deelnemers in de theoretische overwegingen. Ze werden ondersteund door de Argentijnse onderzoekgemeenschap Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), de Europese Unie (Projekt ELCAT) en deDeutsche Akademische Austauschdienst (DAAD).