Nieuws

Grafeen laat brandstofcel langer meegaan

Arjen Dijkgraaf | maandag 27 juli 2020

In Londen is een recept bedacht voor hoogwaardig grafeen met een garnering van platina-nanodeeltjes.

Hun nieuw ontwikkelde grafeen is ideaal elektrodemateriaal voor brandstofcellen, claimen Gyen Ming Angel, Patrick Cullen en collega’s van University College en Queen Mary University in het tijdschrift Nanoscale. In zo’n brandstofcel katalyseren platina-oppervlakken de splitsing van waterstof en zuurstof. Om zo veel mogelijk oppervlak te creëren met zo weinig mogelijk platina, gebruikt men nanodeeltjes op poreuze koolstof als inerte drager. De levensduur daarvan is nogal beperkt. Op papier moet grafeen beter presteren qua corrosiebestendigheid en elektrische geleiding. Maar de huidige massaproductiemethodes leveren grafeen op met voldoende structuurdefecten om elk voordeel teniet te doen.

Het nieuwe recept berust op het gemak waarmee grafiet kaliumatomen absorbeert. Die passen qua afmetingen precies tussen de grafeenlagen, waaruit dat grafiet is opgebouwd. Het resultaat staat bekend als een grafietintercalatieverbinding of GIC. Met een polair aprotisch (dus H+-loos) oplosmiddel kun je vervolgens de koolstoflagen losweken, waarbij ze in oplossing gaan in de vorm van kaliumgrafenide. En van grafenides is bekend dat ze ionen van sommige metalen reduceren tot atomen die daarna ter plekke neerslaan als nanohoopjes.

Het blijkt uitvoerbaar als eenpotssynthese. Je begint met grafiet en kalium. Toevoeging van vloeibare ammoniak bij -60 ºC laat het kalium oplossen, en de GIC ontstaat dan vanzelf. Vervolgens vervang je ammoniak door tetrahydrofuraan, en als de grafenidelaagjes zijn losgeweekt (met behulp van ultrasoon geluid) voeg je platina(II)chloride toe.

Volgens de auteurs presteert het resultaat net zo goed als de huidige elektrodes, en is het inderdaad een stuk stabieler. En zo te zien laat hun proces zich zonder veel moeite opschalen.

Cullen zegt te hopen dat hij het vertrouwen in grafeen een beetje kan herstellen. Tot nu toe blijven de praktische toepassingen van dit ‛wondermateriaal’ nogal achter bij de verwachtingen. Cullen vermoedt een verband met het brakke grafeen waarmee zijn collega’s het proberen.

TEM-opname van grafeen met platina stippeltjes (credit: Patrick Cullen / Gyen Ming Angel).