Zuid-Koreaanse onderzoekers ontwikkelden een boor-gedopeerde kobalt-fosfide katalysator die in labtests platina overtrof bij elektrolyse van water. Een veelbelovende stap naar efficiënte, betaalbare waterstofproductie.
Groene waterstof geldt als een van de pijlers onder de energietransitie — een veelbelovende energiedrager die fossiele brandstoffen kan vervangen in sectoren waar elektrificatie moeilijk is, zoals de zware industrie, chemie en maritieme transport. Maar er is één groot probleem: het is nog veel te duur. Zuid-Koreaanse onderzoekers hebben daar nu mogelijk een baanbrekende oplossing voor gevonden.
Volgens het onderzoek, gepubliceerd in Small, wisten de onderzoekers zogenoemde B-CoP@NC/NF-nanosheets te synthetiseren — structuren van boor-gedoteerde kobalt-fosfide ingebed in een stikstof-gedopeerd koolstofnetwerk, direct gegroeid op nikkelschuim.
Waterstof zonder het prijskaartje van platina
Tot nu toe zijn veel elektrolyseprocessen afhankelijk van dure en schaarse metalen zoals platina of iridium. Deze edelmetalen leveren weliswaar uitstekende prestaties, maar vormen een enorme kostenpost en belemmeren grootschalige toepassing.
“Onze methode biedt een blauwdruk voor het ontwerpen van volgende-generatie, hoog-efficiënte katalysatoren die de productiekosten van waterstof drastisch kunnen verlagen,” aldus professor Lee.
Overtreft bestaande materialen
Het team gebruikte kobalt-gebaseerde metal-organic frameworks (MOFs) als basis. Deze MOFs zijn poreuze, kristallijne structuren die ideaal zijn voor het maken van nanomaterialen met zeer specifieke eigenschappen. Door de MOFs op nikkelschuim te laten groeien en ze vervolgens te behandelen met natriumboorhydride (NaBH₄), integreerden de onderzoekers boor in de structuur. Daarna volgde een fosforylering met verschillende hoeveelheden natriumhypofosfiet (NaH₂PO₂).
Het resultaat: drie varianten van B-gedoteerde kobalt-fosfide nanosheets (B-CoP@NC/NF). De variant gemaakt met 0,5 gram NaH₂PO₂ (B-CoP0.5@NC/NF) presteerde het beste en overtrof bestaande materialen ruimschoots. Deze katalysator vertoonde een lage overspanning van 248 mV voor zuurstofontwikkeling (OER) en slechts 95 mV voor waterstofontwikkeling (HER) — opmerkelijk laag ten opzichte van eerder gerapporteerde katalysatoren.
DFT-simulaties verklaren prestaties
De onderzoekers ondersteunden hun bevindingen met behulp van density functional theory (DFT), een wiskundige analysemethode om elektronische eigenschappen van materialen te voorspellen. De simulaties toonden aan dat boor-doping en een optimale hoeveelheid fosfor zorgen voor een betere interactie met reactietussenproducten — een cruciaal onderdeel voor efficiënte elektrolyse.
“Deze inzichten maken gerichte materiaalontwikkeling mogelijk en versnellen de transitie naar schaalbare groene waterstofproductie,” zei medeonderzoeker Dun Chan Cha.
Van lab naar industrie?
Hoewel het onderzoek zich nog in een experimentele fase bevindt, is de implicatie duidelijk: als deze nanomaterialen op industriële schaal kunnen worden geproduceerd, ligt een doorbraak in goedkope waterstofproductie binnen handbereik. Dat is goed nieuws, want elektrochemische watersplitsing — mits aangedreven door zonne- of windenergie — is een van de schoonste manieren om waterstof te produceren, zonder uitstoot van CO₂.
Tot nu toe is deze techniek echter beperkt gebleven tot kleinschalige toepassingen, juist vanwege de hoge kosten van de benodigde katalysatoren.
Een koolstofarme toekomst
Deze ontdekking is veel meer dan alleen een wetenschappelijke prestatie: het is een veelbelovende stap richting een koolstofarme toekomst.
De onderzoekers van Hanyang University laten zien dat het mogelijk is om betaalbare, efficiënte katalysatoren te ontwikkelen zonder afhankelijk te zijn van zeldzame edelmetalen. Als hun methode succesvol opgeschaald kan worden, zou dit een kantelpunt kunnen betekenen in de wereldwijde energietransitie.
