Onderzoekers hebben een nieuwe katalysator ontwikkeld die is gemaakt van biomassa en een veelbelovend alternatief biedt voor het schaarse en dure platina dat nu wordt gebruikt in brandstofcellen en metaal-luchtbatterijen. De doorbraak, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Biochar, laat zien hoe hernieuwbare grondstoffen kunnen worden omgezet in hoogwaardige materialen voor schone energietechnologieën.
Van houtbiomassa naar geavanceerde katalysator
De nieuwe katalysator is gebaseerd op biokool, ook wel biochar genoemd, dat is afgeleid van houtbiomassa. Onderzoekers van de Shenyang Agricultural University in China combineerden dit materiaal met kobaltzouten en een stikstofrijke verbinding om een poreuze koolstofstructuur te maken die is ingebed met kobaltdeeltjes en stikstoffunctionele groepen.
Dit levert een materiaal op met veel actieve katalytische plekken, dat specifiek goed presteert bij de zogeheten zuurstofreduktiereactie. Dit is een cruciale stap in brandstofcellen en metaal-luchtbatterijen, waarbij zuurstof uit de lucht wordt omgezet in water om elektrische stroom te genereren. De efficiëntie van dit proces bepaalt in grote mate hoe goed een brandstofcel werkt, en hier ligt nu precies het knelpunt bij de opschaling van schone energietechnologieën.
Vergelijkbare prestaties als platina, tegen een fractie van de kosten
De gemeten prestaties van de nieuwe katalysator zijn indrukwekkend. De katalysator behoudt meer dan 92 procent van zijn activiteit na langdurige inzet en vertoont bovendien een sterke weerstand tegen verstoring door methanol, een eigenschap die van belang is voor gebruik in praktijkomstandigheden. De onderzoekers stelden ook vast dat de reactie via het meest gewenste mechanisme verloopt, waarbij zuurstof direct wordt omgezet in water zonder schadelijke tussenproducten.
Het materiaal presteerde daarmee vergelijkbaar met veel geavanceerde katalysatoren op platinabasis, maar is opgebouwd uit overvloedig beschikbare en hernieuwbare grondstoffen.
Structuur en chemie als sleutel
De goede prestaties zijn te verklaren door de specifieke opbouw van het materiaal. Het biochar-raamwerk zorgt voor een hiërarchisch poriënsysteem dat de aanvoer van moleculen verbetert en samenklontering van metaaldeeltjes voorkomt. De stikstofgroepen in het materiaal vergroten de zuurstofadsorptie en het elektronentransport. De kobaltverbindingen dragen via synergetische wisselwerking verder bij aan de katalytische werking.
Toepassingen verder dan brandstofcellen
Naast brandstofcellen en metaal-luchtbatterijen zien de onderzoekers toepassingsmogelijkheden voor de aanpak in waterstofproductie en de reductie van CO₂. Het gebruik van biomassa als uitgangsmateriaal sluit aan bij bredere doelstellingen op het gebied van koolstofneutrale technologieën en circulaire grondstoffensystemen.
Vervolgonderzoek richt zich op het verbeteren van de prestaties in zure omstandigheden en het verkennen van andere biomassabronnen om de schaalbaarheid verder te vergroten.
Bron: EurekAlert!
Image by Wayne Jackson from Pixabay
