Algemeen
Nieuwe onderzoeksmethode katalysator brandstofcellen
Het verschillend aantal gelijksoortige buren heeft een belangrijke invloed op de katalytische activiteit van de atomen aan de oppervlakte van een nanopartikel (foto: David Loffreda, CNRS, Lyon)

Met een nieuwe onderzoeksmethode proberen wetenschappers bij voertuigen met een brandstofcel het actieve centrum te bepalen bij de katalysator om zo het gebruik van duur platina te beperken. Een van de belangrijkste componenten van de brandstofcel is de platina katalysator, waarbij aan de oppervlakte de zuurstof wordt gereduceerd. Hierbij is niet het totale platina-oppervlak katalytisch actief is, maar vooral een aantal atomen, dat in de zogenaamde actieve centra is blootgesteld aan het proces.

De reiniging van uitlaatgassen van de auto is een van de bekendste katalytische processen. Maar eigenlijk is de totale chemische industrie gebaseerd op katalytische reacties. Het katalysatorontwerp speelt daarbij een elementaire rol bij het verbeteren van veel processen. Een internationaal team van wetenschappers heeft nu een concept gepresenteerd, dat de geometrische en absorptie-eigenschappen met elkaar combineert. Ze toonden de prestaties van hun methode aan de hand van een voorbeeld van een nieuw ontwikkelde platinakatalysator voor brandstofcellen.

Waterstof zou een ideale energiedrager zijn: overtollige windenergie zou water in zijn elementen kunnen opsplitsen en met het waterstof kunnen zeer efficiënte brandstofcellen voor elektrische auto’s worden aangedreven. Het uitlaatgas, dat daarbij ontstaat, is zuiver water en de actieradius zou onbeperkt zijn. Maar voertuigen met brandstofcellen zijn nog steeds een rariteit. Bovendien is platina (Pt) extreem duur.

Bestuderen aan de hand van een model

Een gebruikelijke methode voor de ontwikkeling van katalysatoren en voor het modelleren van het bij een katalysator werkend proces is de computer ondersteunde simulatie van de chemische activiteiten. Bij een toenemend aantal atomen in de berekening worden de kwantum chemische berekeningen hiermee al snel erg duur.

Onderzoekers presenteren nu een nieuwe manier met een methode, die zij ‘Coordination-Activity-Plots’ hebben gedoopt. Deze brengt de absorptie-eigenschappen van een bepaalde positie in een direct verband met de structuur. De basis hiervoor is het ‘algemene coördinatienummer’ (GCN). Deze telt de directe buren van één atoom en de coördinatienummers van deze buur (GCN).

Berekend volgens de nieuwe methode, bezit een specifieke Pt(111)-oppervlakte een GCN-waarde van 7,5. De optimale katalysator zou echter een waarde van 8,3 moeten halen. Het daarvoor benodigde grotere aantal buren kan worden behaald, als bijvoorbeeld doelgericht defecten in de platina oppervlakte worden ingebouwd.

Praktijktest met succes

Als bewijs voor de nauwkeurigheid van hun methode ontwikkelden de onderzoekers met de computer een platinakatalysator, die een hoger aantal van dergelijke actieve centra bevatte. Daaropvolgend produceerden zijn de modelkatalysator op drie verschillende synthese manieren. In alle drie de gevallen toonde de katalysator een drieënhalf keer hogere katalytische activiteit.

”Deze arbeid opent een volledig nieuwe weg voor de katalysatorontwikkeling: de ontwikkeling van materialen op basis van geometrische basisprincipes, die duidelijker zijn dan de energetische benadering”, zegt Federico Calle-Vallejo. “Een ander voordeel van de methode is, dat deze duidelijk op de fundamentele beginselen van de chemie is opgebouwd, die van het coördinatienummer. Dit vormt een aanzienlijke hulp voor de computer ondersteunde katalysatorontwikkeling”.

”Met deze kennis zou men nanopartikels kunnen ontwikkelen, dit belangrijk minder platina bevatten of zelfs andere katalytisch actieve metalen gaan benutten”, zegt prof. Aliaksandr S. Bandarenka, tenure track-professor aan de TU München. “En in de toekomst zullen we onze methode ook op andere katalysatoren en processen toepassen”.

De onderzoekwerkzaamheden werden ondersteund met middelen van de Europese Unie in het kader van de Fuel Cells and Hydrogen (FCH) Initiative, de Nederlandse organisatie voor wetenschappelijk onderzoek (NWO), de Deutschen Forschungsgemeinschaft (SFB 749, Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM), Ruhr Explores Solvation (RESOLV)) en de Helmholtz Energie-Allianz.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven