Minder edelmetalen in de katalysator maken de brandstofcelauto betaalbaar.
Elektrische voertuigen op batterijen zijn klaar om de wereld te veroveren. Vandaag zijn ze nog maar goed voor 1 procent van alle wegverkeer. Maar een aantal vernieuwingen – zoals de goedkopere batterij met een langere levensduur – maakt de schone auto nu ook financieel een pak aantrekkelijker. Tesla heeft meer dan 400.000 kopers op de wachtlijst voor zijn Model 3. Die heeft een prijskaartje van een kleine 30.000 euro, en moet in de zomer van 2018 op de weg komen.
Jammer genoeg blijft die andere auto die geen CO2 uitstoot, de waterstofauto met brandstofcel, te duur voor de gemiddelde consument. (De fabrieksprijs van de Toyota Mirai is een kleine 50.000 euro.) Een rist laboratoria en bedrijven is erop gebrand de kostprijs omlaag te halen. Daartoe hebben ze een van de duurste onderdelen van de waterstofauto in het vizier: de katalysator. In veel commerciële modellen bevat die platina, een edelmetaal dat zo duur en zeldzaam is dat deze generatie auto’s weinig toekomstperspectief heeft.
Platina-arm
Het onderzoek volgt verschillende sporen: het platina efficiënter gebruiken, het vervangen met palladium (dat gelijkwaardig presteert en iets minder duur is) met goedkope metalen zoals nikkel en koper, of het helemaal zonder metaal doen. Wetenschappers onderzoeken ook alternatieven voor de film van koolstof die als drager dient voor de dunne laagjes platina-nanopartikels.
Stanislaus Wong van Stony Brook University voert de strijd aan. Samen met Radoslav Adzic (Brookhaven National Laboratory) heeft hij relatief kleine hoeveelheden platina en palladium gemengd met goedkopere metalen zoals ijzer, nikkel en koper. Ze vonden legeringen die veel actiever bleken dan commerciële katalysatoren. Wongs groep vormde ze tot flinterdunne eendimensionale nanodraad (van grofweg twee nanometer diameter), die dankzij zijn grote oppervlakte per volume meer actieve centra biedt voor katalytische reactie.
Een katalysator zonder platina zou natuurlijk de beste oplossing zijn. Het onderzoek op dat vlak is recenter, maar er is ondertussen heel wat bedrijvigheid. Eind 2016 berichtte Sang Hoon Joo van het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Zuid-Korea over een katalysator van koolstofnanobuisjes gedoopt in ijzer en stikstof. Die bleek evenveel activiteit te vertonen als commerciële katalysatoren. Liming Dai (Case Western Reserve University) en zijn collega’s hebben dan weer een katalysator uitgevonden zonder enig metaal. Het in stikstof en fosfor gedoopt koolstofschuim is even actief als klassieke katalysatoren.
Grote schaal
Een materiaal uitvinden en ontwikkelen dat uitstekend katalyseert, is maar een deel van de uitdaging, merkt Wong op. Het onderzoek moet zich ook richten op de opschaling van de productiemethoden die in het lab doeltreffend zijn gebleken. Zo kunnen de onderzoekers achterhalen of de beste kandidaten even actief en duurzaam blijven. In alle fasen van het onderzoek worden de wetenschappers bijgestaan door theoretici. Met geavanceerde computersimulaties berekenen zij hoe variabelen zoals de chemische samenstelling, de grootte en vorm van de metalen nanopartikels, en de architectuur van de draagstructuur de prestaties beïnvloeden. Het kan volgens Wong niet anders dan dat die samenwerking op een dag uitstekende katalysatoren en een betaalbare brandstofcelauto oplevert.
Een duurzaam transportsysteem vergt uiteraard meer dan nulemissie op de weg. Ook de productie en de verdeling van de brandstof moet verduurzamen, of het nu elektriciteit is of waterstof. Die grotere uitdaging ligt nog voor de boeg.
