Een koolstofvelletje van één atoom dik, beter bekend als grafeen, kan dankzij vreemde nanoribbels waterstof honderd keer efficiënter splitsen dan de beste katalysatoren.

Dankzij minuscule rimpelingen op het oppervlak kan grafeen waterstof honderd keer beter splitsen dan elke bekende chemische katalysator. Dit geribbelde grafeen zou gebruikt kunnen worden om effectievere waterstofbrandstofcellen te ontwikkelen en industriële processen efficiënter te maken.

Grafeen is een koolstoflaag van één atoom dik. Het is in wezen een plakje grafiet. Vanwege de sterke onderlinge koolstofverbindingen is grafiet een extreem niet-reactieve stof.

‘Alle oplossingen voor het klimaatprobleem zijn te vinden in de chemie’
LEES OOK

‘Alle oplossingen voor het klimaatprobleem zijn te vinden in de chemie’

Chemicus Joost Reek knutselt aan moleculen om oplossingen te vinden voor ’s werelds meest complexe problemen.

De Nederlands-Britse natuurkundige Andre Geim van de Universiteit van Manchester en zijn collega’s hebben echter ontdekt dat grafeen, ondanks zijn sterke bindingen, chemisch ongelooflijk reactief is. Dat komt doordat het materiaal nooit helemaal vlak is. Het heeft kleine golvingen, genaamd nanoribbels of nanorimpelingen. Hierdoor kan grafeen waterstof net zo effectief splitsen als de beste katalysatoren die we vandaag de dag hebben.

Uitpuilen

Om dit aan te tonen, produceerden de onderzoekers grafeen met zo min mogelijk defecten. Dat is nodig om uit te sluiten dat de chemische activiteit door iets anders komt dan de ribbels. Vervolgens spanden ze een vel grafeen over de bovenkant van een microscopisch bakje gevuld met waterstofmoleculen, die elk bestaan uit twee waterstofatomen.

Het grafeen splitste de waterstofmoleculen op in afzonderlijke atomen. Die stapelden zich op in het bakje. De losse atomen zorgden ervoor dat druk toenam en het grafeen uitpuilde. De onderzoekers maten de mate van uitstulping om te berekenen hoe goed het grafeen waterstofmoleculen omzet in waterstofatomen.

Ze ontdekten dat het vermogen per gram grafeen om waterstof te splitsen minstens honderd keer beter was dan veelgebruikte katalysatoren zoals koper of magnesiumoxide. Vergelijk je echter de efficiëntie van katalysatoren in verhouding tot hun oppervlakte, dan komt koper iets beter uit de bus dan grafeen.

Ribbels

Geim en zijn collega’s vergeleken ook een bijna perfect vlakke plaat grafeen met een plaat op een siliciumoppervlak met nanoribbels. Ze zagen dat alleen het oppervlak met de nanoribbels waterstof leek te splitsen.

Volgens Geim zou de kracht van de ribbels verder kunnen strekken dan alleen het vermogen om grafeen waterstof efficiënter te laten splitsen. Het zou ook wat kunnen betekenen voor andere chemische reacties en voor andere vlakke materialen. ‘Wij wetenschappers zien tweedimensionale materialen als mooie, platte vormen. Maar rimpelingen brengen een nieuwe eigenschap in deze materialen naar boven’, zegt Geim.

De Nederlands-Britse natuurkundige Andre Geim, geboren in Rusland, is de enige persoon in de geschiedenis die zowel de Nobelprijs als de Ig Nobelprijs heeft gewonnen. In 2010 won hij samen met zijn promovendus Konstantin Novoselov de Nobelprijs voor Natuurkunde voor zijn baanbrekende onderzoek naar grafeen. Tien jaar daarvoor had hij al de ludieke tegenhanger van de prijs gewonnen voor het laten zweven van een kikker. Geim heeft sowieso wel iets met dieren: in 2001 maakte hij zijn hamster Tisha coauteur van een wetenschappelijke publicatie.

Hoewel er al eerder aanwijzingen waren dat grafeen een goede katalysator zou kunnen zijn, toont dit onderzoek duidelijk aan dat de ribbels daarvan de oorzaak zijn, zegt nanotechnoloog Andrea Ferrari van de Universiteit van Cambridge. ‘Deze directe metingen lijken te bewijzen wat tot nu toe intuïtie of een niet volledig bewezen conclusie was.’

Duurzamere katalysator

‘De meeste industriële chemische reacties worden aangedreven door katalyse, dus als wij katalysatoren produceren op basis van zuivere koolstof – die zeer, zeer actief zijn, zoals de onderzoekers in dit artikel stellen – dan kan dat veel industriële processen veranderen’, zegt chemicus Andrei Khlobystov van de Universiteit van Nottingham. De splitsing van waterstof is daarvan slechts één voorbeeld.

Grafeen zou ook een veel duurzamere keuze kunnen zijn dan de huidige katalysatoren, die vaak bestaan uit zeldzame metalen, zegt Khlobystov. En als je wat van die metalen in vellen grafeen inbouwt, kunnen die hun werk nog beter doen, suggereert hij. De productie van het zuivere grafeen dat in deze experimenten wordt gebruikt is momenteel echter veel duurder dan die van conventionele metaalkatalysatoren, zegt Khlobystov.