Geschikte materialen voor waterstofopslag snel in kaart

Batterijen
‘Doordat de energieopbrengst uit zon en wind fluctueert, is het essentieel om duurzame energiedragers te ontwikkelen’, stelt professor Dam in zijn intreerede. ‘Batterijen zijn de bekendste energiedragers maar het blijkt erg moeilijk te voorspellen of een batterij wel goedkoop genoeg kan worden gemaakt. Waterstof is een andere kandidaat. De energiedichtheid van een waterstof-gascilinder is al gauw een orde van grootte beter dan van batterijen. Een hogedruk-gascilinder is vanwege zijn volume niet ideaal voor gebruik in personenauto’s.’

Waterstofopslag
‘Wij doen dan ook onderzoek naar alternatieve vormen van waterstofopslag. Dat kan met metaallegeringen die een chemische binding met waterstof aangaan (metaalhydrides) en het op die manier vastleggen. Voor gebruik van waterstof in combinatie met een brandstofcel zoeken we naar nieuwe opslagmaterialen die waterstof weer afgeven bij een druk hoger dan 1 atmosfeer en bij een temperatuur lager dan 100 graden Celsius.’

Optische eigenschappen
Dam maakt bij de zoektocht naar geschikte metaallegeringen gebruik van een experimentele techniek om snel de eigenschappen van potentieel interessante waterstofopslag-materialen in kaart te brengen. ‘Bij het onderzoek aan metaalhydrides maken we gebruik van het feit dat de optische (en elektrische) eigenschappen van een metaal veranderen bij waterstofabsorptie. Deze optische analyse maakt het erg eenvoudig om veel materialen tegelijkertijd te analyseren.’

Verschillende verhoudingen
‘We maken een zogenaamd gradiënt sample. Op zo’n sample bevinden zich honderden verschillende composities van metalen: bijvoorbeeld nikkel, magnesium en titaan in telkens wisselende onderlinge verhoudingen. Bekijken we de optische eigenschappen nu bij verschillende druk en temperatuur, dan krijgen we informatie over de stabiliteit van het gevormde materiaal. We zien zo onmiddellijk welke samenstelling de beste eigenschappen heeft voor gebruik als materiaal voor waterstofopslag.’

Nanoclusters
Deze aanpak heeft al geleid tot een potentieel interessante vondst. Een klein beetje titaan brengt in de legering van magnesium en nikkel een plotselinge gunstige verandering van eigenschappen teweeg door de vorming van nanoclusters. Dit zijn zeer kleine afwijkende gebieden in de legering. Onverwacht ontstaan er zo, op nanoschaal, nieuwe materialen voor waterstofopslag.

Om deze effecten te kunnen toepassen, zouden er op grote schaal nanodeeltjes moeten worden gemaakt met een elastische, waterstof-doorlatende schil. Zo’n nanomateriaal zou een ideaal energieopslagmedium zijn in combinatie met een brandstofcel. ‘Het realiseren van dergelijke nanodeeltjes is helaas niet eenvoudig’, voegt Dam wel toe.

Waterstofdetector
‘De optische eigenschappen van metaalhydrides proberen we ook voor andere toepassingen te benutten’, vertelt Dam verder. ‘Zo hebben we een waterstofdetector ontwikkeld. Een dergelijke detector is essentieel voor de invoering van de waterstofeconomie.’

‘In de toekomst willen deze experimentele aanpak verder exploreren. Zo willen we nieuwe materialen vinden voor het splitsen van water met zonlicht, nieuwe transparante geleiders voor zonnecellen en nieuwe optische sensoren,’ aldus Dam.