Wat ooit een saai en stoffig onderdeel van de chemie was, is tegenwoordig hip en booming: de elektrochemie. Met hulp van elektrochemie pakken chemici grote milieuvraagstukken aan. Je kunt er bijvoorbeeld waterstof mee maken uit water en CO2 mee omzetten in waardevolle grondstoffen. Prof. dr. Marc Koper, hoogleraar Katalyse en oppervlaktechemie aan de Universiteit Leiden, is expert op dit gebied. Dit voorjaar ontving hij voor zijn werk de prestigieuze ERC Advanced Grant.
"Elektrochemie, daar rol je in," grapt Marc Koper. "Geen enkele student bedenkt van te voren dat hij carrière wil maken in de elektrochemie. Maar als je het eenmaal begrijpt wordt het leuk." Marc Koper promoveerde in 1994 op een onderzoek naar deterministische chaos in elektrochemische reacties. Maar het voortzetten van zijn wetenschappelijke carrière in de elektrochemie had nog wat voeten in de aarde. "Bijna niemand werkte meer aan dit soort onderzoek in Nederland. Ik kon maar moeilijk een postitie vinden. Uiteindelijk lukte het in Eindhoven."
De energietransitie is een transitie naar electrificering. Dé energiedrager die we hernieuwbaar kunnen maken is elektriciteit met zonne-energie en windenergie.
Hippe elektrochemie
Koper wordt daarna in 2005 hoogleraar aan de Universiteit Leiden waar hij tot zijn plezier het zeer fundamentele onderzoek mag voortzetten. "Rond 2015 komt er een omslag. De interesse in elektrochemie neemt ineens exponentieel toe, vertelt Koper. "Dat was heel apart. Jarenlang ben je het buitenbeentje en ineens is het hip en sta je in het middelpunt van de belangstelling. Dat komt echt door het energievraagstuk. De energietransitie is een transitie naar electrificering. Dé energiedrager die we hernieuwbaar kunnen maken is elektriciteit met zonne-energie en windenergie. Daar zal ook de chemie meer gebruik van moeten maken, voor de opslag van energie maar ook voor het ontwikkelen van nieuwe chemische processen met hernieuwbare bouwstenen."
Zijn werk leverde hem al een indrukwekkende lijst van prijzen en benoemingen op waaronder onlangs de ERC Advanced Grant en eerder al het eervolle lidmaatschap van de KNAW. Koper ontving in december 2020 ook de eervolle Allen J. Bard award: 'Het is het mooist om door je directe collega's erkend te worden, met wie je werkt en die je kent. Allen J. Bard is een zeer gewaardeerde wetenschapper die ik heb ontmoet en wiens werk ik heb gelezen.'
Altijd ingewikkelder dan je denkt
Koper en collega's gebruiken elektriciteit onder andere om het broeikasgas CO2 om te zetten naar bruikbare moleculen, of om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Het gaat hem niet om een zo hoog mogelijke opbrengst of het bouwen van een fabriek, maar om het fundamentele begrip van wat er gebeurt tijdens de chemische processen.
Een elektrochemische cel bestaat uit katalytische elektroden waaraan de reacties plaatsvinden (vergelijkbaar met de + en - polen van een batterij) en het elektrolyt waarin de chemicaliën zijn opgelost en dat de stroom geleidt.
Het is altijd ingewikkelder dan je denkt, soms frustrerend, maar dat houdt het voor mij leuk.'
Opmerkelijk genoeg is lang niet alles bekend over deze belangrijke onderdelen, ondanks jaren van intensief onderzoek. 'We leren bijvoorbeeld nu dat de reactiviteit en selectiviteit van de elektrochemische reactie niet alleen afhangt van de elektrokatalysator, maar ook van het elektrolyt, de zuurgraad en het massatransport. Het is altijd ingewikkelder dan je denkt, soms frustrerend, maar dat houdt het voor mij leuk.' Een van de meest recente publicaties van Koper en collega's laat zien dat de interacties van het elektrolyt met de elektroden anders zijn dan altijd gedacht. De onderzoekers pasten de theorie aan zodat die goed klopt met de metingen, maar ze weten nog altijd niet precies hoe die interacties er dan wel uitzien.
De toegevoegde waarde van samenwerking
Voordat elektrochemie op grote schaal kan bijdragen aan de energietransitie zijn er nog wel wat uitdagingen. Een van de belangrijkste is dat de elektroden, die bijvoorbeeld van platina zijn gemaakt, na verloop van tijd oplossen door corrosie. Daardoor moeten ze snel vervangen worden, maar platina is duur. "We begrijpen deze corrosieprocessen nog niet zo goed dat we ze kunnen onderdrukken," zegt Koper. Meer onderzoek is dus nodig.
Koper werkt veel samen met collega's aan de TU Delft, onder andere van het e-Refinery instituut. De elektrochemische reacties die ze daar onderzoeken lijken veel op wat in Leiden wordt onderzocht, maar aan systemen die in principe geschikt zijn voor toepassing in de praktijk. Dat is anders dan Koper, die zijn onderzoek voornamelijk doet aan zeer goed gedefinieerde modelsystemen. "Ik wil alles kunnen modelleren, controle over alles. Dan krijg je dingen boven water die je anders niet zou weten."
Zo kan Koper zijn collega's in Delft helpen als zij een vraag hebben over de werking van hun systeem. Omgekeerd is in Delft apparatuur aanwezig waarover Leiden niet beschikt, bijvoorbeeld een techniek om de samenstelling van de moleculen aan het oppervlak of in de oplossing te meten.
Er is een hele sterke band tussen de TU Delft en de Universiteit Leiden op het gebied van chemie, ook in het onderwijs.'
Koper is blij met de samenwerking. 'Er is een hele sterke band tussen de TU Delft en de Universiteit Leiden op het gebied van chemie, ook in het onderwijs. Studenten volgen hun studie en colleges aan beide universiteiten. Dat helpt ook de wetenschap vooruit, want je vindt elkaar sneller. Een organisatie zoals de Leiden-Delft -Erasmus-alliantie kan dat nog breder trekken. Zo ben je niet meer afhankelijk van toevallige ontmoetingen.' Maar, voegt Koper toe, het moet ook wel vanuit de onderzoekers zelf komen. Een opgelegde samenwerking van bovenaf werkt contraproductief, denkt hij.
Delft e-Refinery: onderzoek naar een CO2-neutrale chemische industrie
Het Delft e-Refinery instituut onder leiding van directeur Bernard Dam, onderzoekt hoe de chemische industrie CO2-neutraal kan worden in 2050, het doel dat in het Klimaatakkoord is vastgelegd. De sleutel tot het bereiken van dat doel is elektrificering. De focus van e-Refinery ligt daarom op de elektrochemische omzetting van water, lucht en biomassa in brandstoffen en chemicaliën met duurzame elektriciteit, om op die manier het gebruik van fossiele grondstoffen en de uitstoot van CO2 te besparen.
Elektrochemische conversie
Het proces heet ook wel elektrochemische conversie. Zonder elektriciteit kosten deze processen veel warmte omdat ze bij hoge temperatuur plaatsvinden. Elektrochemische conversie kan veel efficiënter zijn, maar vereist nog veel onderzoek. Daar houden wetenschappers, maar ook ingenieurs en procestechnologen zich binnen het e-Refinery instituut mee bezig. Vijf Delftse faculteiten nemen deel: Technische Natuurkunde, Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica, Werktuigbouwkunde (3ME), Technische Bestuurskunde en Lucht & Ruimtevaarttechniek.
e-Refinery heeft een concreet doel: het bouwen van diverse 100kW demonstratiesystemen die chemicaliën produceren uit CO2 met verschillende technieken. Zover is het nog niet. Op labschaal werken de processen goed, maar er wordt nog hard gewerkt aan het opschalen naar industriële schaal.
Tekst: Bastienne Wentzel
