En ihärdig postdoc-forskare övertalade professor Marc Koper att forska i syrereduktionsreaktionen. I Kopers ögon var det lite av intresse där. Men de upptäckte snabbt ett helt nytt sätt att förbättra bränsleceller på väte och syre. Deras artikel dök upp i Nature Catalysis den 7 juli.

Det finns få vätgasdrivna bilar som kör runt i Nederländerna:en av dem, en Toyota Mirai, ägs av Shell Nederland-direktören Marjan van Loon. Marc Koper, professor i katalys och ytkemi, sa:"Hon är en av få som faktiskt kan fylla på väte i Nederländerna, på Shell i Amsterdam."

Toyota arbetar med bättre, effektivare bränsleceller, för att kunna införa vätgaskörning i stor skala. Men tekniken har inte kommit så långt än, eftersom det finns två stora problem. För det första behövs för mycket av den sällsynta metallen platina i bränslecellerna. För det andra måste den del av reaktionen som omvandlar syre till vatten, den så kallade syrereduktionsreaktionen, bli mer effektiv.

Svagare syrebindning ansågs vara den enda ratten att vrida på

I flera år har forskare trott att det bara finns ett sätt att göra syrereduktion effektivare. I bränslecellen med två poler – anoden och katoden – sker den reaktionen på katoden där det finns många små platinapartiklar. Syre bryts ner där till syreatomer bundna till platina. Dessa atomer reagerar sedan vidare för att bilda slutprodukten, vatten.

Koper:"Den nuvarande teorin är att vi måste leta efter en katod som håller syreatomerna lite mindre starkt. Och även att detta är den enda ratten du kan vrida på för att göra syrereduktionen lättare. Toyota använder en katod som innehåller platina och lite kobolt. Denna kobolt hjälper till att försvaga bindningen av syre till platina. Så den teorin fungerar bra."

Koper är en av de mest citerade forskarna i världen, fick många anslag och belönades med det största och mest prestigefyllda holländska vetenskapspriset 2021. Han fick Spinozapriset på 2,5 miljoner euro delvis för att hans forskning kan bidra till energiomställningen. Han undersöker hur elektrisk energi kan hjälpa till att göra eller bryta kemiska föreningar. Detta skulle tillåta dig att lagra grön kraft, så att du kan spara den till när solen inte skiner eller vinden dör.

Men det är inte det Koper är intresserad av

Koper är ärlig om sina motiv:de är inte relaterade till världsförbättring. "Jag vill förstå på atomär nivå vad som händer när man skickar elektricitet genom en elektrokemisk cell", sa han i en intervju med anledning av sitt Spinozapris. Sökandet efter en bättre katod för att binda syre mindre starkt är inte så spännande för honom, hur viktigt problemet än är. "Enligt min mening finns det inte mycket mer att vinna vetenskapligt på att finjustera katoden med det bästa förhållandet mellan kobolt och platina."

Men så kom postdoc Mingchuan Luo för att arbeta för Koper. "Han insisterade på att arbeta med syrereduktion." Koper föreslog då att ta reda på vad som händer om man leker med sammansättningen av elektrolyten, mediet som skiljer anoden från katoden. Elektrolyten innehåller en viss koncentration av negativt laddade joner:anjoner. Luo experimenterade med olika koncentrationer av anjoner.

De upptäckte en ny ratt att vrida på

Koper:"Vi upptäckte då att reduktionen av syre ibland går snabbare än förväntat, även om bindningen av syre till katoden verkar starkare. Den rådande tanken att man bara kan uppnå effektivare syrereduktion med svagare syrebindning är därför felaktig. Den verkar som om de anjonerna i elektrolyten påverkar en annan process i syrereduktionsreaktionen. Nämligen:den lätthet med vilken de platinabundna syreatomerna omvandlas till hydroxid (OH-), det sista steget innan man gör vatten. Detta ger oss en ny ratt för att tur, som är fundamentalt annorlunda än den vanliga."

Så istället för bara en väg till effektivare väteceller finns det minst två. Detta är väldigt intressant för Koper, som främst vill förstå vad som händer på molekylär nivå och varför dessa anjoner spelar en så viktig roll. Hans kollegor på Toyota kommer också att tycka att det är intressant, även om de inte kan göra stora framsteg med det direkt. "För tillfället väcker denna nya insikt främst nya frågor. Nu måste vi gå och ta reda på exakt vad som händer." + Utforska vidare

Omvandla vatten till väte mer effektivt