Zuid-Koreaanse onderzoekers hebben een technologie ontwikkeld die waterstofproductie zes keer efficiënter maakt. Met een lichtflits van 0,02 seconde bij 3.000 graden Celsius wordt een katalysator gevormd die massaproductie van groene waterstof een flinke stap dichterbij brengt.
Achter de ontdekking staat een team van KAIST-onderzoekers dat met één enkele lichtflits de regels van katalysatorproductie herschreef. Hun techniek verbruikt duizend keer minder energie dan bestaande methoden en zou de overstap naar betaalbare, grootschalige waterstofproductie drastisch kunnen versnellen.
Volgens de studie, gepubliceerd in ACS Nano, kan deze techniek de energie-intensieve productie van hoogwaardige katalysatoren drastisch vereenvoudigen en opent het de deur naar massaproductie van groene waterstof.
Extreme hitte in milliseconden
De kern van de innovatie is een zogenoemde direct-contact photothermal annealing (DCA)-methode. Daarbij wordt een zwart fotothermisch materiaal blootgesteld aan een krachtige lichtflits, die binnen 0,02 seconde een temperatuur van 3.000 °C bereikt. Die ultrakorte, maar extreem hete puls verandert nanodiamanten in carbon nanoonions (CNO’s) — microscopisch kleine koolstofstructuren met een ui-achtige, concentrische opbouw.
Waar conventionele synthese van CNO’s uren kost en enorme hoeveelheden energie vraagt, gebeurt dit hier in milliseconden en met duizend keer minder energieverbruik. Het resultaat: een geleidende, stabiele en katalytisch actieve structuur die de efficiëntie van waterstofproductie radicaal verhoogt.
Eén lichtflits, twee processen
Wat de KAIST-onderzoekers extra onderscheidt, is dat de methode niet alleen het basismateriaal vormt, maar tegelijk de katalysator functionalisert met enkelvoudige metaalatomen – zogeheten single-atom catalysts (SAC’s).
Tijdens diezelfde lichtflits worden atomen van metalen zoals platina (Pt), kobalt (Co) en nikkel (Ni) direct op het oppervlak van de CNO’s verankerd. Daardoor ontstaat in één stap een katalysator met uitzonderlijk hoge activiteit. In het geval van Pt-CNO’s bleek de waterstofproductie-efficiëntie zesmaal hoger dan bij conventionele katalysatoren, terwijl er veel minder edelmetaal nodig was.
“We hebben voor het eerst een direct-contact fotothermisch proces ontwikkeld dat 3.000 °C bereikt in minder dan 0,02 seconde,” zegt professor Il-Doo Kim van KAIST. “De methode verbruikt duizend keer minder energie en kan de commercialisering van waterstof- en milieukatalysatoren sterk versnellen.”
Massaproductie realistisch perspectief
Carbon nanoonions zijn al langer in beeld als veelbelovend katalysatormateriaal. Hun bolvormige, gelaagde structuur biedt een groot actief oppervlak en uitstekende elektrische geleidbaarheid. Tot nu toe werden ze echter vooral in onderzoeksomgevingen gebruikt, omdat hun productie duur, traag en moeilijk op te schalen was.
De nieuwe DCA-techniek doorbreekt die barrière: ze combineert snelheid, lage kosten en schaalbaarheid in één proces. Dat maakt massaproductie van hoogwaardige katalysatoren, en daarmee van waterstof, een realistisch perspectief.
Goedkopere waterstof met minder energieverbruik
De impact van deze doorbraak reikt verder dan waterstofproductie alleen. De onderzoekers zien toepassingen in onder meer gasdetectie, milieukatalyse en batterijtechnologie. Maar vooral voor de waterstofeconomie is het een cruciale stap:
- Goedkopere elektrolyse dankzij efficiëntere katalysatoren.
- Lager energieverbruik bij de productie van actieve materialen.
- Minder edelmetalen nodig, waardoor de afhankelijkheid van schaarse grondstoffen afneemt.
Voor landen als Nederland, die sterk investeren in waterstofclusters en elektrolysefabrieken kan dit type technologie de kosten per kilo groene waterstof aanzienlijk drukken. Een dergelijke efficiëntiesprong verkleint het gat tussen fossiele en hernieuwbare waterstofproductie: een voorwaarde voor grootschalige toepassing in industrie en mobiliteit.
Nog vragen voor de praktijk
Hoewel de resultaten indrukwekkend zijn, blijven er vragen over de toepassing buiten het lab. Zo moet de methode zich nog bewijzen op industriële schaal, en is het onduidelijk hoe stabiel de enkelvoudige metaalatomen blijven tijdens langdurig gebruik. Ook de integratie met bestaande elektrolysetechnologieën vraagt om verder onderzoek.
KAIST geeft aan dat vervolgonderzoek zich op deze vragen richt. Toch is de toon gezet: wat begon als een experiment met licht en koolstof, zou wel eens de katalysator kunnen worden van een nieuwe generatie waterstoftechnologie.
