Watermoleculen spelen op het katalysatoroppervlak van een brandstofcel een veel belangrijkere rol dan gedacht. Dat valt op te maken uit de eerste echt gedetailleerde computersimulaties van zo’n oppervlak.

Een eerste publicatie verscheen onlangs in JACS. Italiaanse en Japanse onderzoekers onder leiding van Stefano Fabris lieten zien wat watermoleculen doen rond clusters van een handvol platina-atomen op ceriumoxide. Om te beginnen worden ze opgebroken in OH^– en H⁺, waarbij die laatsten reageren met de buitenste zuurstofkernen van het ceriumoxide en nóg meer hydroxides vormen.

Aals dat vaak genoeg gebeurt krijg je een effect dat de Italianen doet denken aan een protonenflipperkast: de resterende H-plussen stuiteren tussen de OH-minnen heen en weer, waarbij voortdurend nieuwe watermoleculen worden gevormd en weer opgebroken. Dat gestuiter werkt weer als nano-roermechanisme: grondstoffen, intermediairen en reactieproducten worden er door meegesleurd met als gevolg dat de katalysator efficiënter werkt dan je zou verwachten.

In PNAS doet een Amerikaans-Japans team onder leiding van Manos Mavrikakis er deze week nog een schepje bovenop. Hun simulatie (zie de afbeelding) betreft het (111)-kristaloppervlak van puur platina zonder ceriumoxide er onder. Maar bij hen draait het om de methanol die in de brandstofcel moet worden afgebroken, en het effect van het omringende water op dát proces.

De hamvraag daarbij is welke H er dan als eerste afgaat, en dus of je van methoxy (CH₃O) of hydroxymethyl (CH₂OH) overhoudt. En de simulaties laten voor het eerst zien dat het omringende water inderdaad een grote rol speelt. Om te beginnen verzwakt het de binding van CH₃O aan het platina, maar heeft op CH₂OH juist nauwelijks effect.

Ook verlaagt dat water de activeringsenergie die nodig is om zowel C-H als O-H bindingen te verbreken. Maar wat dan uiteindelijk de voorkeur heeft, hangt mede af van de elektrische lading van het platina. Is die positief dan komt de H iets gemakkelijker van de O los, in andere gevallen van de C.

Alle betrokkenen hopen uiteraard dat het helpt bij het verbeteren van de prestaties van brandstofcellen.

bron: SISSA, University of Wisconsin-Madison