De rol van bellenvorming bij duurzame productie van waterstof
De duurzame productie van waterstof kan mogelijk efficiënter door slim gekozen zout aan het proces toe te voegen. Onderzoekers van het Leids Instituut voor Chemisch onderzoek hebben in samenwerking met natuurkundigen van de Universiteit Twente ontdekt dat het type zout dat aanwezig is bij de productie van waterstof via elektrolyse de vorming van waterstofbelletjes beïnvloedt. Dat is interessant omdat bellenvorming invloed heeft op de efficiëntie van de waterstofproductie.
Duurzame waterstofproductie gaat een belangrijke rol spelen in de energietransitie. Waterstof is een CO2-vrije energiedrager en een grondstof voor bijvoorbeeld kunstmest. ‘De manier waarop we duurzame waterstof maken, is via elektrolyse’, zegt Marc Koper, hoogleraar Katalyse en oppervlaktechemie.
Hoe zat dat ook alweer? Elektrolyse.
Bij elektrolyse wordt water via een elektrochemische reactie omgezet in waterstofgas en zuurstofgas. Hiervoor plaats je twee elektroden in water waarin een zout is opgelost. Zout zorgt voor goede elektrische geleiding. Zodra je een elektrische spanning aanbrengt, ontstaan er aan de ene elektrode belletjes waterstofgas en aan de andere zuurstofbelletjes.
Fotocredit: International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT)
Waarom willen we kleine belletjes?
Koper en zijn collega’s hebben onderzocht hoe de waterstofbelletjes ontstaan en loskomen van de elektrode. Hun onderzoek verscheen in het vakblad Nature Chemistry. ‘Je wilt dat er kleine belletjes ontstaan die zo kort mogelijk aan het elektrode-oppervlak blijven plakken’, vertelt Koper. Belletjes werken namelijk isolerend, waardoor de elektrolyse cel minder goed stroom geleidt en je minder waterstof produceert.
Een tapijt van kleine belletjes
Voor het onderzoek gebruikten ze een elektrode van ongeveer 0,1 millimeter groot, waarop precies één belletje zou kunnen ontstaan. ‘Zo konden we het gedrag van een enkele bel bestuderen bij verschillende typen zout’, zegt postdoc Sunghak Park.
Het gedrag van de belletjes werd nauwkeurig vastgelegd met de geavanceerde camera’s van de Twentse onderzoeksgroep van Detlef Lohse en Dominik Krug. Toen bleek dat er niet één bel ontstaat, maar een tapijtje van kleinere belletjes, met daar bovenop een grotere bel die gevoed wordt door de kleinere.
Soort zout beïnvloedt bubbelvorming
Dat was niet de grootste verrassing. Hoe de kleinere belletjes de grote voeden en wanneer die bel het oppervlak van de electrode verlaat, bleek sterk afhankelijk van het gebruikte zout. ‘Dat was niet eerder gezien’, zegt Koper.
Zouten bestaan uit twee soorten deeltjes: positief geladen kationen en negatief geladen anionen. Vooral het anion blijkt de belvorming te beïnvloeden. Bij het anion sulfaat bleken de kleine belletjes gemakkelijk een grote bel te vormen, terwijl bij het anion perchloraat vooral kleine belletjes ontstaan, die snel loskomen.
Wat heeft wijnproeven te maken met elektrolyse?
De onderzoekers ontdekten dat dit komt door het Marangoni-effect, dat ook het tranen van wijn veroorzaakt. Hierbij ontstaat er een vloeistofstroming door een concentratieverschil. Bij elektrolyse veroorzaakt de waterstofproductie een verschil in anionconcentratie bij de elektrode, waardoor er daar een vloeistofstroom ontstaat. De richting van die stroming is afhankelijk van het type anion. Bij sulfaat duwt de stroming de belletjes naar beneden, tegen de elektrode aan. Daardoor blijft de bel langer plakken en groeit hij. Bij perchloraat duwt de stroming de belletjes van het elektrode oppervlak af waardoor ze klein blijven, geen grotere bel vormen, en sneller vrijkomen van het oppervlak.
Waterstofproductie efficiënter maken
‘Dat dit mechanisme een rol speelt in de bellenvorming was niet bekend’, zegt Koper. ‘Het is interessant omdat het betekent dat we het bellengedrag kunnen sturen door toevoeging van de juiste zouten.’ Toekomstig onderzoek zal moeten aantonen of dit commerciële elektrolyse efficiënter kan maken.
Tekst: Dorine Schenk