In Leuven is octrooi aangevraagd op een methode om zeer regelmatige, flexibele nanometaalsponsjes te maken met een extreem groot oppervlak per volume-eenheid. Je kunt ze bijvoorbeeld gebruiken als elektrode in lithium-ionaccu’s of voor de elektrolytische productie van waterstof uit water, melden de KU Leuven en het plaatselijke nano-instituut imec in een persbericht.

Het procédé van imec-kopstuk Philippe Vereecken en promovendus Stanislaw Zankowski is gebaseerd op anodiseren, een bijna honderd jaar oude manier om een metaaloppervlak via elektrolyse te voorzien van een poreus oxidelaagje. Het werkt alleen bij zogeheten valve metals, met name aluminium, die van zichzelf al zo’n oxidelaagje vormen bij blootstelling aan de atmosfeer. Anodiseren maakt die laag vele malen dikker en bovendien poreus. Bij zuiver aluminium staan de poriën, met een diameter van enkele tientallen nanometers, loodrecht op het metaaloppervlak. Maar als je het metaal doteert met koper of ijzer, blijk je tussen die verticale kanalen ook een horizontaal netwerk te krijgen (het octrooi legt helaas niet uit waarom). De afstand tussen die nanokanalen is vrij constant, en vooral afhankelijk van de procescondities bij het anodiseren.

Zo’n porienetwerk gebruiken als mal voor een metaalspons, ligt voor de hand en is ook al eerder geprobeerd. Je vult het met een edeler metaal en etst daarna het aluminium er tussenuit. Maar zo’n vulproces werkt ook elektrochemisch en vereist dat op zijn minst de bodem van de verticale poriën elektrisch geleidend is. En dat is hij na het anodiseren niet, want daarbij bedek je álles met een isolerend aluminiumoxidelaagje. Als je dat probeert weg te etsen, vreet je het ook de zijwanden van de poriën aan zodat die veel te wijd worden.

Het octrooi van Vereecken en Zankowski biedt een slimme oplossing. Je coat eerst de poriën met een hydrofoob polymeerlaagje, bijvoorbeeld siliconenrubber. Uitgloeien onder een inerte atmosfeer kan ook. Vervolgens anodiseer je de laag opnieuw: dat proces vreet dwars door het beschermlaagje heen, maar tast alleen de bodem van de poriën aan omdat dat de kortste weg is naar de anode-aansluiting. Daar wordt het metaaloxide dus vervangen door een nieuwe oxidelaag die iets dieper zit. En ga je vervolgens etsen met een middel op waterbasis, dan vreet dat alleen dit nieuwe oxidelaagje van de bodem weg - de beschermlaag houdt het uit de buurt van de wanden.

Volgens het octrooi kan het oppervlak van het resulterende metaalsponsje (het persbericht spreekt van 3D-kippengaas) oplopen tot 90 m²/cm³. Het zijn wel dunne laagjes: de dikte bedraagt een paar micrometer en het persbericht stelt dat je met een stuk ter grootte van een voetbalveld een frisdrankblikje nog niet half kunt vullen.

Met een 4,75 μm dik plakje nanonikkelnetwerk (porositeit 76%, poriediameter 64 nm tussen het nikkel) hebben de auteurs al met succes waterstof geproduceerd, meldden ze onlangs in ACS Applied Materials & Interfaces. Het werkte duidelijk beter dan commerciële nikkelschuimelektrodes.

bron: imec, Espacenet