Goed verteerd veen, een alledaags natuurmateriaal, blijkt een verrassend krachtig alternatief voor platina in brandstofcellen: goedkoper, duurzaam en bijna net zo efficiënt als de duurste katalysatoren.
Een internationaal team van onderzoekers heeft aangetoond dat goed ontbonden veen – ja, gewoon veen uit de bodem – kan dienen als duurzaam én extreem efficiënt basismateriaal voor nieuwe brandstofcelkatalysatoren. Dat zou een gamechanger kunnen zijn, want momenteel is platina nog altijd de duurste en meest kritieke component in vele typen brandstofcellen.
Volgens de studie, gepubliceerd in ACS Nano, kan een op veen gebaseerd ijzer-stikstof-koolstofmateriaal (Fe-N-C) de prestaties van enkele toonaangevende niet-edelmetaal-katalysatoren evenaren, maar dan tegen een fractie van de prijs.
Het grote obstakel voor betaalbare brandstofcellen
Brandstofcellen worden gezien als een pijler onder een toekomstige klimaatneutrale energie-infrastructuur. Ze zetten waterstof om in elektriciteit, met enkel water als uitstoot. Maar één obstakel blijft de doorbraak remmen: platina. Dit zeldzame, dure metaal is nog altijd de standaard voor de zuurstofreductiereactie (ORR), de stap die grotendeels bepaalt hoe efficiënt een brandstofcel werkt.
Onderzoekers van Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en de universiteiten van Tartu en Tallinn wilden daarom een platina-vrije katalysator ontwikkelen voor anion exchange membrane (AEM)-brandstofcellen. Die zijn goedkoper en eenvoudiger dan klassieke PEM-cellen, maar vragen om andere materialen.
Koolstof, ijzer en stikstof
Een veelbelovend alternatief voor platina zijn Fe-N-C katalysatoren: koolstofmaterialen met ijzer- en stikstofcentra. Ze zijn goedkoop, robuust en potentieel zeer efficiënt. Cruciaal is de microstructuur: deze materialen kunnen extreem poreus zijn, met een netwerk van tunnels dat doet denken aan een mierenkolonie. Zuurstof en waterstof bewegen door deze tunnels naar de actieve katalytische sites, terwijl het geproduceerde water weer wordt afgevoerd.
Turf overtreft alle verwachtingen
De grote verrassing: goed verteerde veenturf blijkt een ideaal uitgangsmateriaal om zulke poreuze structuren te maken. De onderzoekers produceerden vijf varianten van de Fe-N-C katalysator, elk verhit tot 800–1000 °C en met verschillende pore modifiers.
De samples werden onderworpen aan geavanceerde small-angle X-ray scattering (SAXS) en anomalous SAXS bij de BESSY II-synchrotron in Berlijn. Dat stelde het team in staat om eigenschappen te meten die normaal nauwelijks te kwantificeren zijn: poriëndikte, kromming, mate van wanorde, én de verspreiding van ijzer-gecentreerde katalytische sites.
De ideale poriekromming gevonden
Uit de analyse kwamen dertien structurele parameters naar voren die de prestaties beïnvloeden. De belangrijkste: een minimale poriekromming van 3 nanometer.
Bij die waarde verliep de zuurstofreductie significant efficiënter en beperkte het materiaal de vorming van ongewenst waterstofperoxide. Precies één van de turf-afgeleide katalysatoren behaalde prestaties die vergelijkbaar zijn met de beste niet-nobele metaal-katalysatoren van dit moment.
Hiermee toont de studie aan dat optimalisatie van microstructuur net zo belangrijk is als chemische samenstelling – een inzicht dat volgens experts waarschijnlijk richtinggevend wordt voor toekomstige katalysatorontwikkeling.
Goedkope brandstofcellen en nieuwe grondstofketens
Het gebruik van turf als grondstof is interessant, maar niet vanzelfsprekend. Turfwinning in de natuur wordt doorgaans afgeraden vanwege ecologische schade. De onderzoekers benadrukken dat ze werken met well-decomposed peat, materiaal dat al sterk is afgebroken en niet vers uit kwetsbare veengebieden hoeft te worden gehaald. Estland heeft bovendien grote historische voorraden die specifiek voor industriële doeleinden zijn aangewezen.
“Estse afzettingen bieden een veelbelovende bron voor hoogwaardige functionele materialen,” aldus Jäger. Als deze ontwikkeling kan opschalen, zou turf een rol kunnen krijgen in een nieuwe circulaire productie van duurzame energietechnologie.
Het vervangen van platina zou de prijs van AEM-brandstofcellen aanzienlijk kunnen verlagen. Dat is aantrekkelijk voor sectoren waar iedere euro telt, zoals zware logistiek of stationaire energieopwekking.
Van moeras naar megawatt
Het idee dat iets gewoons als veenturf een hightech katalysator kan worden, voelt bijna paradoxaal, maar de resultaten zijn indrukwekkend. Door slim gebruik te maken van natuurlijke koolstofstructuren en ultrageavanceerde röntgenanalyse heeft het Estisch-Duitse team een belangrijke stap gezet richting betaalbare, schaalbare waterstoftechnologie.
Als deze lijn zich doorzet, zou een deel van de toekomst van schone energie zomaar uit het moeras kunnen komen.
