Waterstof ontwikkelt zich als een van de meest veelbelovende duurzame energiebronnen. De schoonste manier om waterstof te produceren is door elektrolyse van water met behulp van hernieuwbare energie. Momenteel vindt dit proces plaats in twee afzonderlijke stappen: het opwekken van elektriciteit en het gebruiken van elektriciteit voor elektrolyse. De integratie van deze processen zou de productie-efficiëntie van waterstof aanzienlijk kunnen verbeteren.

In een nieuw onderzoeksproject van de UvA Molecular and Materials Design Technology Hub (MMD TechHub) werken wetenschappers aan het optimaliseren van elektrodematerialen gebaseerd op metaalorganische netwerken om zonlicht en water direct om te zetten in waterstof. Dit project wordt geleid door Sonja Pullen en Bettina Baumgartner, beiden universitair docent Homogeneous Catalysis, en Emilia Olsson, universitair docent aan het Institute of Physics en groepsleider bij ARCNL.

Metaalorganische netwerken

Metaalorganische netwerken (MOF's) zijn materialen die bestaan uit metalen bouwstenen en organische moleculen. Deze organische moleculen kunnen als katalysator fungeren en kleine moleculen omzetten in bruikbare chemicaliën. Het voordeel van het gebruik van MOF's is dat ze modulair kunnen worden geproduceerd, wat het ontwerp van materialen op maat mogelijk maakt.

Sonja Pullen, die meer dan tien jaar ervaring heeft met MOF's, legt uit: 'We willen deze MOF's synthetiseren, ze vastzetten op een elektrode en een potentiaal toepassen om een hoge elektronenconcentratie bij de elektrode te creëren. Het doel is dat deze elektronen via redoxmediatoren (RM in de onderstaande afbeelding) worden overgedragen naar de katalysator (cat), die de elektronen gebruikt om protonen te reduceren en moleculaire waterstof te produceren.'

De elektronenoverdracht door de film is echter afhankelijk van de hiërarchische oriëntatie van verschillende bouwstenen en structurele defecten in de MOF's. Pullen: ‘Daarom ben ik een samenwerking aangegaan met Bettina en Emilia, omdat zij ons heel gedetailleerd inzicht in de structuur kunnen geven.’

Materiaaloptimalisatie

In het project zal Baumgartner, wiens onderzoek zich richt op het ontwerpen van optische opstellingen en spectroscopie, een flowcel optimaliseren waarin de MOF's laag voor laag kunnen worden gesynthetiseerd en hun groei met behulp van spectroscopie gevolgd kan worden. Deze nieuwe synthesemethode is aanzienlijk selectiever en georganiseerder dan traditionele methoden voor het maken van MOF's.

Na het synthetiseren van de MOF's en het verkrijgen van structurele informatie, zal Olsson, wiens onderzoek zich richt op materiaalontwerp op atomaire schaal, computermodellen ontwikkelen op basis van de experimentele gegevens. Deze modellen zullen inzicht geven in hoe defecten en variaties in de samenstelling van de film de eigenschappen ervan beïnvloeden. Olsson zal ook AI gebruiken om te voorspellen hoe ze de syntheseprocedures kunnen optimaliseren om de MOF's te verbeteren.

Pullen stelt: ‘Idealiter creëren we een kringloop waarin we, cyclus na cyclus, onze materialen optimaliseren en uiteindelijk betere katalysatoren produceren.’

Disciplines combineren

Het combineren van computationele modellen met experimentele data is niet eenvoudig, maar wel erg belangrijk, aldus Olsson. Een unieke uitdaging voor haar is dat ze nog nooit eerder met MOF's heeft gewerkt. Olsson merkt op: ‘Het wordt uitdagend maar ook spannend om te werken met deze complexe structuren, die verschillen van de koolstoffen en keramiek die we gewend zijn, en om organische moleculen en metalen bouwstenen binnen onze modellen te koppelen.’

De diverse en complementaire achtergronden van de wetenschappers zijn cruciaal voor dit onderzoek. Pullen: ‘Ik ben erg enthousiast om samen te werken met Emilia en Bettina. Onze gecombineerde aanpak stelt ons in staat ons onderzoek naar MOF's verder te brengen. Het theoretische kader dat we in dit project ontwikkelen, zal richtlijnen bieden voor het ontwerpen van verbeterde MOF-gebaseerde elektrodematerialen.’