Halverwege de jaren tachtig verscheen een artikeltje in het toenmalige Chemisch Weekblad over Orde uit chaos, een vertaling van het boek van Ilya Prigogine en Isabelle Stengers. Prigogine (1917 - 2003) won in 1977 de Nobelprijs voor de Scheikunde voor zijn beschrijving van thermodynamische systemen die niet in evenwicht zijn, en waar uit chaos lokaal geordende structuren ontstaan. Het artikel bracht Marc Koper op het spoor van de elektrochemie.  

Koper: ‘Ik vond dat onderwerp enorm intrigerend, omdat het iets was waarmee ik in mijn studie niet mee was geconfronteerd. Vervolgens ging ik meer lezen over chaos, en leerde bijvoorbeeld dat een heel simpele wiskundige vergelijking iets kan opleveren wat niet te voorspellen is. Ik heb zelfs nog een jaar bij Prigogine gestudeerd. Dat verblijf in een internationale gemeenschap in Brussel bij de Service de Chimie-Physique heeft mij overtuigd dat ik wetenschapper wilde worden.’ 

Toen Koper afstudeerde, was hij gefascineerd door wiskunde en chaostheorie. ‘Dáár wilde ik iets in doen, maar alleen wiskunde leek me saai en formeel. Ik zag dat er ook in de elektrochemie wel iets was op dat gebied. Toen heb ik contact gezocht met de Utrechtse hoogleraar elektrochemie Jan Sluyters. Hij dacht met me mee en gaf me de ruimte om me een paar maanden te oriënteren. Uiteindelijk ben ik bij Sluyters gepromoveerd op voornamelijk wiskundige beschrijvingen, maar op het eind vond ik de elektrochemie spannender en leuker.’ 

Koper is inmiddels hoogleraar katalyse en oppervlaktechemie aan de Universiteit Leiden, waar hij met microscopische, spectroscopische en theoretische technieken elektrochemische reacties probeert te doorgronden. Zijn onderzoek aan het grensvlak van elektrolyt en elektrode heeft in 2021 een flinke impuls gekregen met zowel een ERC Grant als de Spinozapremie.  

In korte tijd beschik je over opgeteld 5 miljoen euro. Ben je inmiddels gewend aan het idee dat je heel veel armslag hebt?   

‘Dat gaat geleidelijk. De ERC-aanvraag werd eerst toegekend, en ging over een heel fundamenteel onderwerp. Was die aanvraag niet gehonoreerd, dan had ik de Spinozapremie voor dat plan gebruikt. Nu heb ik ze allebei, en moet ik opnieuw gaan nadenken. Ik heb van de Spinoza nog geen cent besteed. Ik heb wel wat plannetjes, maar ik wil eerst het ERC-project goed op poten zetten. Bovendien is er geen enkele reden om in een jaar alles uit te geven.’ 

Veel inhoudelijke vrijheid, maar zit er nog bureaucratie en verantwoording vast aan dit soort fondsen? 

‘De planning en begroting die je bij NWO moet aanleveren zijn minimaal. Bij een ERC grant krijg je ook veel inhoudelijke vrijheid, maar is er een grotere rapportageplicht. Dat is logisch, want daar moet je een uitgebreid voorstel indienen in een loodzware competitie. Het mooie van de ERC is dat je achteraf niet wordt niet afgerekend op valorisatie en toepassingen. Dat vind ik prettig, want de vraag wat een fundamenteel inzicht over tien jaar gaat opleveren, interesseert me eigenlijk niet.’ 

‘Verbetering van de praktische technologie drijft mij niet’  

Toch wordt je onderzoek altijd gekoppeld aan praktische toepassingen, zoals de energietransitie en een fossielvrije toekomst met waterstof. Voelt die tegenstelling niet ongemakkelijk?  

‘Het is begrijpelijk en in zoverre wat ongemakkelijk, omdat verbetering van de praktische technologie mij als onderzoeker niet drijft; ik wil gewoon begrijpen hoe een chemisch fenomeen werkt. Toepassingen zijn eerder bijvangst. Neemt niet weg dat elektrochemisch onderzoek relatief dicht bij de praktijk ligt. En het is ook niet zo dat ik er niks mee te maken wil hebben, want alle maatschappelijke aandacht draagt ook bij aan de funding van mijn vakgebied.’  

 

Toen je koos voor elektrochemie was je een eenling, nu staat dit vakgebied helemaal in het brandpunt van de belangstelling.  

‘Voor mij is dat een aparte gewaarwording, omdat het twintig jaar geleden echt anders was. Elektrochemie was altijd de eeuwige belofte, tegenwoordig is het ongeveer onze enige hoop. Toen ik in 2005 in Leiden begon elektrochemie te doceren, was dat het enige college in Nederland. Het vak was eind jaren tachtig een beetje doodgebloed, al werd er wel her en der toegepast onderzoek gedaan aan batterijen, brandstofcellen, halfgeleiders en corrosie. Een jaar of tien geleden is dat opeens veranderd toen energieopslag en energieconversie heel belangrijk werden. Dan kom je vanzelf bij elektrolyse en batterijen uit, en dus de elektrochemie. Sindsdien kiezen veel meer onderzoekers en studenten voor dit vakgebied.’ 

Iedereen heeft het over het uitfaseren van gas en olie, maar is elektrolyse wel rijp voor grootschalige toepassing in de industrie?    

‘We moeten vooral opschalen. De chloorindustrie doet al jaren elektrolyse op een grote schaal. Dat is in wezen hetzelfde chemische proces, alleen laat je bij waterstofproductie het natriumchloride weg. Waterstof is een belangrijke grondstof en de productie uit aardgas levert een enorme CO2-uitstoot. Die route is vooralsnog goedkoper dan elektrolyse, maar dat kan veranderen als er veel meer duurzame elektriciteit uit zon en wind beschikbaar komt. Ik denk dat waterelektrolyse – ook voor vergroening van Tata Steel – uiteindelijk de enige weg is. Ik zie geen alternatief.’ 

Zitten we toch weer over praktische toepassingen te praten.   

‘Dat gebeurt altijd in interviews! Maar er zijn ook interessante fundamentele vragen. Waterelektrolyse is een oud proces, en de neiging bestaat te denken dat we wel weten hoe het ongeveer werkt. In een zuur milieu verloopt elektrolyse heel snel, maar in een alkalisch of neutraal milieu veel minder. Dat suggereert dat het makkelijker is om protonen om te zetten in waterstof dan water in waterstof. Waarom snappen we maar ten dele. Wat is precies de rol van alle ingrediënten in het systeem? Wat is er belangrijk bij de activatie van een watermolecuul? Hoe zit dat op atomair niveau? Waar gebeurt dat aan het elektrode-oppervlak? Hoe stabiel is de active site? Dat zijn de vragen die ik interessant vind.’ 

‘Ik denk dat waterelektrolyse uiteindelijk de enige weg is’ 

Als je die vragen stelt, wek je bijna de indruk dat we nog vrijwel niks weten. Is er een kans om tot een fundamenteel nieuw inzicht te komen?  

‘Dat denk ik wel. Veel van wat wij doen raakt aan de tekstboekmodellen die in het standaardwerk van Allen Bard en Larry Faulkner staan beschreven. Als we meten aan een geïdealiseerde platinaelektrode, dan zien we aan de data dat er meer aan de hand moet zijn dan de tekstboekmodellen beschrijven. Het grappige is dat dat geldt voor veel mechanismen in de meer complexe vakgebieden van de chemie of biologie. We kunnen technologisch al heel veel, maar als je er goed naar kijkt, snappen we vaak niet precies waarom we dat kunnen. Je vraagt je tegelijkertijd af: stel dat het wel begrijpen, wat kunnen we dan nog meer? Hoe meer fundamenteel inzicht, hoe groter de kans dat je processen kunt verbeteren. Bij waterelektrolyse op industriële schaal is elk procentje extra efficiëntie en stabiliteit mooi meegenomen.’ 

Je meet aan eenvoudige modelsystemen. Kun je dan altijd weer terug redeneren naar de chaotische realiteit van een grote elektrode in de industrie?   

‘Ja, maar of mijn onderzoek op die manier directe impact heeft in de praktijk weet ik niet. Ik werk veel samen met onderzoekers bij bedrijven. Ik merk dat mijn belangrijkste invloed niet ligt in het oplossen van hun problemen, maar dat ze door discussies en het delen van kennis op een andere manier gaan kijken naar het chemisch proces waaraan ze werken.’ 

Je beïnvloedt de chemische gemeenschap voordat er een paper is verschenen door nieuwe observaties te delen?   

‘Dat vind ik juist het leuke van lezingen. Ik vertel wat ik zie in metingen, en dat ik nog niet precies begrijp hoe het zit. Ik geef aan wat de verklaring zou kunnen zijn, en vraag dan: wat denken jullie? Collega’s vinden dat interessant, maar soms ook wat vreemd. Het gebeurt niet zo veel. Ik wil gewoon niet te snel conclusies trekken, want het is zelden zo simpel als je in eerste instantie denkt.’ 

‘We kunnen al heel veel, maar we snappen vaak niet waarom we dat kunnen’ 

Wat ga je het publiek op de Avond van de Chemie vertellen?   

‘Daar moet ik nog goed over nadenken. In lezingen voor een breder publiek begin ik graag met de geschiedenis. De Nederlandse rol in de elektrochemie wordt weleens over het hoofd gezien. De ontwikkeling van elektrodes voor industriële chloorelektrolyse gebeurde bijvoorbeeld bij het Schiedamse Magneto Special Anodes. En vrijwel niemand weet dat in 1789 Adriaan Paets van Troostwijk en Jan Rudolph Deiman in Haarlem voor het eerst waterelektrolyse hebben gedaan. Ze interpreteerden dat gelijk goed door te stellen dat er waterstof en zuurstof ontstaan. Tien jaar later is hetzelfde experiment herhaald door twee Britten, waardoor de Nederlandse primeur in de vergetelheid is geraakt.’ 

Als het geld is gebruikt en je gaat met pensioen, wat zou je dan hebben willen bijdragen aan de wetenschap?  

‘Een collega vroeg laatst wanneer ik een tekstboek over elektrochemie ga schrijven. Dat zou ik graag willen. Alle kennis samenvoegen, inclusief de manier waarop ik daarnaar kijk. Ook door oude tekstboeken tegen het licht te houden met de vraag: hoe zien we dit nu? Het zou een soort opvolger kunnen worden van Electrochemical Methods van Bard en Faulkner. Ik vind het leuk om te schrijven, maar het kost wel veel tijd. Ik wil dat ooit eens gaan doen, maar het kan zo nog twintig jaar duren.’