Grafeen met rutheniumatomen, elk omringd door vier stikstofatomen (blauw), zou prima elektrodemateriaal zijn voor brandstofcellen (afb: Chris Zhang)
Brandstofcellen zijn ‘omgekeerde’ batterijen, waarbij de energie opgeslagen in chemische verbindingen direct wordt omgezet in elektrische energie. Het idee is al heel oud, maar het lijkt of brandstofcellen een eeuwige belofte blijven. Er wordt nog wel degelijk aan gesleuteld, getuige ook dit bericht, maar de doorbraak is er nog (?) niet.
Dat heeft voor een niet gering deel te maken met de gebruikte materialen. De ‘gouden’ standaard voor brandstofcellen zijn de platina-elektrodes die gebruikt worden als katalysatoren voor de omzettingsreacties die elektrische energie moeten opleveren. Platina is nogal duur en al tientallen jaren wordt gezocht naar een even gedegen maar goedkopere vervanger
Die denken onderzoekers van de Amerikaanse Rice-universiteit, die samenwerkten met collega’s in China, nu gevonden te hebben in de combinatie van rutheen en grafeen. Uit proefnemingen zou zijn gebleken dat het combinatiemateriaal de platinumalternatieven of ijzergrafeenkats (een andere mededinger) naar de kroon steekt.
“Ruthenium is vaak een zeer actieve katalysator als dat verbonden is met vier stikstofatomen, maar het kost eentiende van platina”, zegt onderzoeker James Tour. “Omdat we afzonderlijke atomen gebruiken in plaats van deeltjes zijn er ook geen atomen die niet meereageren. Alle atomen zijn beschikbaar voor de reactie.”
Niet moeilijk
Het bleek dat afzonderlijke atomen op een vel grafeen plakken niet eens zo moeilijk was. Daartoe moest je grafeenoxide in een oplossing brengen waar een kleine hoeveelheid rutheniumatomen zich aan het materiaal hechtten. Daarna vriesdroogde je de oplossing en maakte er schuim van. Door dat bij 750°C te bakken in de aanwezigheid van waterstof en stikstof werd het grafeenoxide gereduceerd en werden de stikstofatomen ingesloten, waarmee het ruthenium zich kon binden.
Die 750°C bleek vrij cruciaal. Boven en onder die temperatuur kreeg je niet het gewenste materiaal. Het materiaal gedroeg zich voorbeeldig bij reacties van methanol of de aanwezigheid van koolmonoxide, die beide zorgen voor een lager rendement van brandstofcellen. Dat soort ‘bijwerkingen’ is een constante zorg voor aanhangers van brandstofcellen.
Ik vraag me wel af of die rutheniumgrafeenelektrodes wel zo goedkoop zijn als Tour zegt. Hoge temperaturen zijn meestal niet goed voor de prijs van een product. Bovendien, als rutheniumgrafeen een succes wordt, blijft ruthenium dan wel zo goedkoop?
Bron: Science Daily