Elektrochemie ontrafelen

Hoogleraar katalyse en oppervlaktechemie Marc Koper won begin 2021 een ERC Advanced Grant. Hij wil met de € 2,5 miljoen die daarmee gepaard gaat diep in de elektrochemische theorieën duiken. ‘Ik heb totaal geen toepassing in gedachten, ik wil het alleen maar begrijpen.’

‘Ons idee is dat de gangbare Gouy-Chapman-theorie voor de elektrochemische dubbellaag niet alle interacties meeneemt die echte systemen wel laten zien’, vertelt Koper. Zo’n dubbellaag ontstaat wanneer een elektrode contact heeft met een elektrolyt. Alle interacties tussen die twee elementen vinden daar plaats.

Volgens de tekstboeken zijn alle interacties elektrostatisch. Maar als je elektrochemie doet aan een platina-elektrode, wijken de metingen af van de gangbare theorie. ‘Dat komt omdat er naar mijn idee veel meer ionen in die dubbellaag zitten, wat suggereert dat er meer interacties mogelijk zijn dan volgens de Gouy-Chapman-theorie zou kunnen’, legt Koper uit. ‘Voor kwikelektrodes, waar de vergelijkingen oorspronkelijk op zijn getest, werkt het wel, maar gebruik je platina, dan lijkt er toch echt iets anders aan de hand te zijn.’

Structuur van de dubbellaag

Maar wat dat precies is, weten wetenschappers nog niet zo goed. Ook de beschrijving van de kinetiek van elektrochemische reacties heeft gaten. De Butler-Volmer-vergelijking houdt namelijk eveneens geen rekening met de dubbellaag, en latere pogingen van bijvoorbeeld Alexander Frumkin om die vergelijking te verbeteren zijn ook niet toereikend.

Koper wil daarom met heel veel verschillende methodes kijken naar de structuur van de dubbellaag en diens invloed op de reactiviteit. ‘Ik wil uitgebreide elektrochemische metingen doen, ab initio molecular dynamics simulaties gebruiken en ook spectroscopische experimenten uitvoeren’, vervolgt de hoogleraar. ‘Wat is nu écht de structuur van het grensvlak? Mijn hypothese is dat de structuur en interactie met het water een veel belangrijkere rol speelt dan tot nu toe gedacht.’

Een van de experimenten die Koper gepland heeft staan is om met X-ray-spectroscopie de structuur van de dubbellaag experimenteel af te beelden. Dat wil hij samen met spectroscopist Rik Mom uit Leiden doen. Koper: ‘Er bestaan al wel wat artikelen hierover, maar die komen van spectroscopisten die er niet per se met een elektrochemische blik naar kijken. Wij willen dat nu dus wel doen, en daar ook elektrochemische vragen bij stellen.’

ElectroChemical Conversion & Materials

De ElectroChemical Conversion & Materials (ECCM) commissie is zo’n vijf jaar geleden ingesteld door de drie topsectoren Chemie, Energie en Hightech Systemen & Materialen (HTSM). De commissie nam als taak op zich om meer aandacht te genereren voor de rol van elektrochemie bij de energietransitie, de nationale initiatieven rond dit thema te coördineren en de nationale community te versterken, denk aan de gelijknamige ECCM-conferentie en Graduate School.

‘De ECCM wordt gedragen door academici, industrie en TNO en zodoende zijn er heel diverse R&D-programma’s, zowel bij NWO, en ook in de vorm van fieldlabs en pilots zoals het Faraday Lab’, vertelt Richard van de Sanden, wetenschappelijk directeur van het Eindhovense EIRES én van NWO-i instituut DIFFER, en daarnaast chair van de ECCM-conferentie van afgelopen zomer. ‘In 2017 hebben we een eerste adviesrapport aangeboden, en vervolgens zijn we onze conferenties gaan organiseren.’

Groeifondsen en adviesrapporten

Na de eerste groeifondsaanvraag – GroenvermogenNL waarbij er voorwaardelijk € 338 miljoen voor R&D in de elektrochemie werd vrijgemaakt – wordt nu gewerkt aan een tweede groeifonds: GroenvermogenNL 2. Van de Sanden is ook betrokken bij het schrijfteam voor de tweede groeifondsaanvraag. ‘Het groeiplan mogen we verder uitwerken en in oktober indienen. We willen ons met dit tweede plan vooral richten op het opschalingsdeel, dat bij het eerste plan is blijven liggen.’

Na 5 jaar van het eerste adviesrapport en de initiatieven die de ECCM-commissie heeft gestart, is het landschap behoorlijk veranderd. Daarom ligt nu een tweede adviesrapport klaar. ‘Daarin leggen we vier advieslijnen voor’, zegt Van de Sanden. ‘We bespreken bijvoorbeeld dat de uitrol van waterstof op grote schaal noodzakelijk is. Demoprojecten moeten worden vormgegeven. We moeten zogezegd het laaghangende elektrochemiefruit nu plukken, want na 2030 gaat het moeilijk worden.’

Conferentie 25 juni

Een van de hoogtepunten van de ECCM is toch wel de conferentie, vindt Van de Sanden. ‘Afgelopen zomer waren er zo’n vierhonderd deelnemers, waaronder veel jonge mensen’, zegt de chair van het evenement. ‘Het was een online-event, en dat is natuurlijk wel jammer. Zoiets doe je voor community building.’ Maar ondanks dat was het toch een groot succes. ‘De community groeit en we zien niet alleen veel academici, maar ook steeds meer mensen uit het bedrijfsleven, van overheden en policymakers.’

Nieuw was de prominentere deelname van de HTSM-sector dit jaar. ‘Onder andere daardoor kwam het onderwerp van de maakindustrie flink aan bod. De sprekers lieten zien hoe de maakindustrie werkelijk veel sterker geïntegreerd raakt in elektrochemische conversie en materialen.’ Een voorbeeld is het kijken naar de bouw van elektrolysers en hoe je dat kunt toepassen in hightech systemen.

‘Daarnaast gaven we ook meer een overzicht van het onderzoek en de ontwikkelingen die in het veld spelen’, licht Van de Sanden toe. ‘Maar dat krijgt nog een staartje: in november willen we namelijk een Research Day houden, wat een showcase zal zijn van alle onderzoeks- en ontwikkelingsprojecten tussen academie en industrie die de ECCM bij elkaar brengen. We hopen elkaar dan ook weer in levende lijve te ontmoeten.’

Kijk de conferentie hier terug: Netherlands conference on Electrochemical Conversion 25 june 2021 – Platform Elektrochemische Conversie & Materialen (ECCM) (co2neutraalin2050.nl)

Elektrochemische coronadetectie

Elektrochemie gaat niet alleen maar over het produceren van waterstof of duurzame energie. In Nature Communications verscheen begin 2021 een paper met uitleg over hoe je SARS-CoV-2 snel en elektrochemisch kunt detecteren. Je neemt een neusuitstrijkje (1), extraheert het RNA of DNA (2) en amplificeert het genetische materiaal met rolling circle amplification (RCA, 3). De resulterende amplicons van de spike- (S) of nucleocapside- (N) genen hybridiseer je vervolgens met capture probe-conjugated magnetic bead particles (CP-MNB), en het product van die hybridisatie koppel je aan silica-reporter probes (SiMB-RP-N gene/SiAO-RP-S-gene, 4). Die silica-deeltjes zijn gecoat met een redox-kleurstof, waardoor je met een redoxreactie, namelijk twee-elektron oxidatie, de gekoppelde amplicons kan detecteren met differential pulse voltammetry.

Chaibun, T. et al. (2021) Nat. Comm. 12(802), Creative Commons 4.0

De Giga-hobbel voor de GW-industrie

Er zijn grote plannen om voor 2030 een flinke stap te zetten naar een maatschappij die volledig op elektriciteit loopt. Maar hoe groot is de kloof tussen de fossiele industrie en het beoogde doel?

Om van een op olie en methaan gebaseerde industrie tot een op waterstof gebaseerde te komen, moet je twee dingen vervangen: de koolstofbron en de energiebron, nu beide gekoppeld aan fossiele brandstoffen. De overgang naar waterstof is voor de meeste industriële assets een interessante optie, mits je de koolstof- en energiebron uit hernieuwbare bron kunt halen en van tevoren in het proces kunt voegen, bijvoorbeeld biologisch afvalmateriaal en zonne-energie. Na het Parijse klimaatakkoord uit 2015 vraagt elk groot chemisch bedrijf zich waarschijnlijk af hoe om te gaan met CO₂-emissiereductie, hoe hun toekomstige industriële assets eruit moeten gaan zien en welke rol processen als elektrochemie daarin gaan spelen.

Onzekerheid

Zowel aan de technologische kant als aan de marktzijde is de onzekerheid groot. Alle partijen worden gedwongen om in een vroeg stadium reeds hun lange termijn keuzen te maken. De infrastructurele plannen die de overheid nu bekijkt zijn bedoeld voor een markt die eigenlijk nog niet bestaat. In de samenleving is een gigantische omschakeling nodig om bijvoorbeeld de chemische processen van de hoogovens of andere hoogenergetische processen op basis van waterstof te gaan doen.

Een hieraan gekoppelde uitdaging zal zijn het produceren van genoeg elektriciteit. In 2019 was het elektrisch vermogen van de chemische industrie met 24 GW bijna 60% van de totale industrie volgens het CBS, ofwel een kwart van het totale vermogen in Nederland. De verwachting is echter dat als je de overstap naar waterstof maakt – en fossiele bronnen als grondstof dus achterwege laat – de hoeveelheid benodigde energie drastisch toe zal nemen, omdat het maken van koolstof-koolstofverbindingen veel energie kost. ‘Omdat technieken op zo’n grote schaal nog niet bestaan op de wereld, zijn er veel onzekerheden en is het lastig om te berekenen hoeveel elektrisch vermogen er precies nodig zal zijn.’

Publiek-privaat

Het beginnen aan de transitie zou in principe redelijk snel op gang kunnen komen, maar dan moet Nederland ook willen – en op tijd beginnen. Een gemiddeld windpark kost bijvoorbeeld zo’n vijf tot tien jaar om te ontwikkelen. Als het windpark dan staat, heb je wel de energie, maar nog niet de verwerking, afneming en infrastructuur. Het benodigde ecoysteem, het publiek-private collectief van samenwerkende partijen, is zich in snel tempo aan het vormen. Voor deze energietransitie moeten partijen die tot nu toe weinig met elkaar samen hebben gewerkt infrastructuur, processen en systemen gaan ontwikkelen op een, tot nu toe, ongekende schaal. Er is hoop, maar er is ook nog een hoop te regelen.

Innovatief met waterstof en zonnecellen

De Nederlandse start-ups HyET Hydrogen en HyET solar staan aan het front van de toegepaste elektrochemie. Welke technieken zien we bij dit bedrijf in actie?

‘Voorheen hielden we ons alleen bezig met compressie van waterstof, maar sinds kort ook met de zuivering en extractie van het gas’, vertelt Maria Fennis, ceo van HyET Hydrogen en co-ceo van HyET Solar, gevestigd in Arnhem. ‘Wij zorgen dus eigenlijk voor het stukje technologie dat waterstof met elektrochemie kan verwerken.’ De techniek werkt met proton exchange membranen (PEM), vergelijkbaar met die van fuel cells. ‘Met behulp van stroom pompen we waterstof door zo’n PEM, waardoor de waterstof op druk komt. We kunnen zo van 100 mbar tot wel 900 bar komen.’

Het systeem van heeft veel voordelen ten opzichte van de klassieke mechanische compressoren. ‘Die hebben veel bewegende delen, wat zowel slijtage als een hoop geluid met zich meebrengt, en vrij veel ruimte in beslag neemt’, legt Fennis uit. ‘Ons apparaat is relatief klein, makkelijk op te schalen en heeft geen bewegende delen. Omdat het systeem modulair is ontworpen kunnen we onderhoud op een efficiënte manier uitvoeren zonder het hele systeem uit bedrijf te hoeven nemen.’ De individuele modules in het systeem kunnen dus in-bedrijf worden uitgewisseld zonder merkbaar effect op de operaties.

Het werkt verder vrij simpel. De stack bestaat uit meerdere cellen die H₂-gas van naar hoge druk pompen. Lagedruk-waterstof komt binnen, wordt afgebroken, migreert door het membraan en wordt daarna weer ‘in elkaar gezet’.

Roll to roll

HyET Solar heeft ook iets unieks. Fennis: ‘Wij zijn het enige bedrijf in Nederland dat flexibele zonnecellen produceert in de vorm van een dunne film op een rol, die op bijna elk oppervlak aan te brengen is.’ Het is een zogenoemd roll to roll proces: je begint met aluminiumfolie waarop je in lagen de zonnecel opbouwt. Daarna keer je de stapel ondersteboven op een dragerfolie en ets je het aluminium weg. Zo komt de PV-module bloot te liggen, die je vervolgens beschermt door het geheel in een doorzichtige folie in te wikkelen. Het resultaat: een folie van laagjes amorf en microkristallijne silica van in totaal 0,5 mm dik. ‘HyET Solar is nu nog een fabriek van 1 MW, maar de plannen liggen klaar om te groeien naar 40 MW’, besluit Fennis.

Bekijk voor meer informatie ‘Waterstof de docu’. Vanaf 40:00 is het laboratorium van HyET Hydrogen te zien.