Niet het nikkel, maar het ijzer blijkt het meeste werk te doen In een recent ontdekte nikkel-ijzerkatalysator voor het splitsen van water. Hoog tijd om veel meer met ijzer te gaan experimenteren, schrijft Caltech-onderzoeker Harry Gray in het tijdschrift Joule.

Het zou Gray niet eens verbazen als ijzer binnen een jaar of vijf op commerciële schaal wordt ingezet om energie uit zonlicht vast te leggen in brandstoffen.

Zijn lab synthetiseerde de nickel-iron layererd double hydroxide-nanodeeltjes, afgekort([NiFe]-LDH, voor het eerst in 2014. Zie de afbeelding: nikkelionen zijn groen, ijzer blauw, zuurstof rood en waterstof wit. Bij pH 14 blijkt deze structuur de elektrochemische oxidatie van O^2- uit water tot O₂ zeer effectief te katalyseren. Zelfs zo effectief dat de werking niet is te volgen: het kan haast niet anders of de metaalionen staan tijdelijk zelf elektronen af, maar die reactie-intermediairen hebben een extreem kort leven en hun concentratie blijft daardoor te laag om ze eenduidig te kunnen identificeren.

Dat de meeste onderzoekers het nikkel verantwoordelijk hielden, lijkt dan ook vooral een instinctieve aanname te zijn geweest. Nikkel wordt nu eenmaal veel vaker in verband gebracht met watersplitsen dan ijzer.

Gray heeft het nu wél meetbaar gemaakt door de nanodeeltjes op te lossen in acetonitril of een ander watervrij oplosmiddel, waar ze in principe niets mee kunnen. Vervolgens onderwierp hij ze aan wisselende potentiaalverschillen ten opzichte van hun omgeving, en volgde met diverse spectroscopische technieken wat er gebeurde.

De volgende stap was om er een heel klein beetje water bij te doen, te weinig om de katalysator echt tempo te laten maken.

De meetresultaten doen zeer sterk vermoeden dat bij activering van de katalysator Ni²⁺ in Ni³⁺ verandert, maar dat dat Ni³⁺ daarna ook gewoon Ni³⁺ blijft. Het ijzer daarentegen gaat tijdens de water-oxidatie voortdurend heen en weer van Fe³⁺ naar Fe⁶⁺ en weer terug, waarbij de aanhangende OH-groepen tijdelijk in =O veranderen.

En nu we dat weten, kunnen we gericht aan optimalisatie van die katalysator gaan werken.

bron: Caltech