Onderzoekers hebben een nieuwe katalysator ontwikkeld die brandstofcellen zonder platina laat werken, met bijna dezelfde efficiëntie. Dit kan de kosten van waterstoftechnologie drastisch verlagen en de weg vrijmaken voor betaalbare, duurzame energie.
Wetenschappers van de Cornell University hebben een nieuwe katalysator ontwikkeld die brandstofcellen zonder platina laat werken, en die bijna net zo krachtig presteert als traditionele systemen. Volgens de studie, gepubliceerd in PNAS, kan deze aanpak de kosten van waterstoftechnologie drastisch verlagen en de weg vrijmaken voor betaalbare, duurzame energie.
Door goedkopere metalen zoals nikkel te gebruiken, wordt waterstof toegankelijker voor voertuigen en elektriciteitsvoorziening in afgelegen gebieden, terwijl de afhankelijkheid van zeldzame edelmetalen afneemt. Deze doorbraak laat zien dat betaalbare én efficiënte brandstofcellen binnen handbereik liggen.
Onmisbaar maar peperduur
Brandstofcellen zetten waterstof om in elektriciteit zonder schadelijke uitstoot, waardoor ze een sleutelrol kunnen spelen in de energietransitie. Toch bleef grootschalige toepassing beperkt. De reden? Platina.
In traditionele brandstofcellen vinden chemische reacties plaats in zeer zure omstandigheden. Slechts enkele edelmetalen, vooral platina, zijn bestand tegen deze omgeving zonder af te breken. Het resultaat: efficiënte, betrouwbare brandstofcellen, maar tegen een torenhoge prijs.
Het probleem met goedkopere materialen
De wetenschappers ontwikkelden een alternatieve aanpak: brandstofcellen die werken in een alkalische omgeving. Dit biedt de mogelijkheid om veel goedkopere metalen te gebruiken, zoals nikkel, ijzer of kobalt.
Het probleem: in deze mildere omgeving verlopen de reacties vaak trager, waardoor de efficiëntie van de cel traditioneel achterblijft. De uitdaging was dus een katalysator te ontwerpen die goedkoop is én hoog presteert.
Doorbraak brengt de oplossing
De oplossing zit in een ingenieus materiaalontwerp: nikkel bedekt met een ultradunne koolstoflaag van slechts enkele atomen dik. Deze beschermende laag voorkomt dat het nikkel degradeert, terwijl de elektronenstroom en de noodzakelijke chemische reacties volledig doorgaan. Daardoor blijft het nikkeloppervlak stabiel en actief, wat zorgt voor langdurig hoge prestaties.
Bovendien is nikkel honderden keren goedkoper dan platina, waardoor de totale kostprijs van de brandstofcel aanzienlijk daalt. Tests tonen dat deze katalysator, gecombineerd met andere goedkope materialen, een vermogen levert dat nauwelijks onderdoet voor platina-gebaseerde systemen.
Zo werkt het
Met technieken zoals scanning transmission electron microscopy en X-ray absorption spectroscopy ontdekten de onderzoekers dat een metallic nikkeloppervlak essentieel is voor de hydrogen oxidation reaction (HOR). Wanneer een laag α-Ni(OH)₂ ontstaat bij hogere potentialen, degradeert de katalysator normaal gesproken.
Dankzij de dunne koolstoflaag blijft het oppervlak actief, waardoor de brandstofcel stabiel, efficiënt en duurzaam blijft.
500 tot 1.000 keer goedkoper
Deze ontwikkeling kan grote gevolgen hebben:
- Lagere kosten: waterstofvoertuigen en brandstofcellen voor elektriciteit worden toegankelijker.
- Duurzaamheid: minder afhankelijkheid van schaarse edelmetalen.
- Schaalbaarheid: brandstofcellen kunnen makkelijker worden ingezet in afgelegen gebieden of ontwikkelingslanden.
Héctor D. Abruña, professor aan Cornell, stelt: “Een alkalische omgeving laat je niet-edelmetalen gebruiken, zoals nikkel en ijzer, die 500 tot 1.000 keer goedkoper zijn dan platina. Het kostprobleem wordt zo irrelevant. Het vraagt alleen om katalysatoren die in alkalische media goed presteren en duurzaam blijven.”
Slim ontwerp doorbreekt barrières
Deze doorbraak laat zien hoe slim materiaalontwerp oude technische barrières kan doorbreken. Door betaalbare materialen efficiënt en duurzaam te maken, komt waterstoftechnologie dichter bij massale toepassing.
Het is nog niet dé oplossing voor alle toepassingen, maar de vooruitgang is duidelijk: brandstofcellen zonder platina, met bijna dezelfde prestaties, kunnen de energietransitie een flinke impuls geven.
