We moeten naar een schone en duurzame energievoorziening. Daar lijkt iedereen nu wel van overtuigd. Windmolens, zonnecellen, eventueel biomassa en op termijn kernfusie moeten samen in onze energiebehoefte gaan voorzien. Maar met het opwekken van energie zijn we er nog niet: het moet ook opgeslagen worden, in auto’s bijvoorbeeld. Er zijn auto’s die zelf hun biomassa meevoeren en ter plekke verbranden, maar door de auto-industrie worden twee modernere alternatieven voor benzine, diesel of gas serieuzer genomen: accu’s en waterstof. Hoewel elektrische auto’s een stormachtige ontwikkeling doormaken, hebben de waterstof-adepten de handdoek nog niet in de ring geworpen.

Het klinkt ook prachtig: waterstofkernen worden in een brandstofcel in contact gebracht met zuurstof uit de lucht, in een reactie waarbij slechts schoon water en de benodigde energie vrijkomen. Het is echter niet eenvoudig om waterstof veilig en compact op te slaan. Er bestaan gasflessen waarin waterstof onder een druk van achthonderd atmosfeer is samengeperst, en daarmee is de maximumdruk waarschijnlijk nog niet bereikt, maar het volume dat deze flessen inneemt, blijft onpraktisch groot. Bovendien kost het veel energie om de waterstof zo extreem samen te persen. Door waterstof vloeibaar te maken, wordt de dichtheid tot zeventig gram per liter opgeschroefd, maar daarvoor moet het tot zeer lage temperatuur worden afgekoeld - bij atmosferische druk zelfs tot -253 graden Celsius.

Explosief
In de sectie ‘Energy Materials and Devices’ van de vakgroep Anorganische Chemie en Katalyse van Scheikundige Technologie wordt daarom onderzoek gedaan naar een veelbelovende vorm van waterstofopslag: in de vorm van metaalhydrides (van de Latijnse naam voor waterstof: hydrogenium). Metaalhydrides maak je door waterstofgas -normaal bestaand uit moleculen van twee atomen- als losse atomen in een metaalrooster te brengen. Opslag van waterstof in een metaalhydride is daarmee veel veiliger dan opslag in de vorm van het bijzonder explosieve waterstofgas. Bovendien bespaart het -verrassend genoeg- veel ruimte.

Hoe kan het dat je waterstof compact en licht kunt opslaan door het door een metaal te laten absorberen? “Ja, dat klinkt misschien vreemd”, geeft Paul Vermeulen toe. “Het grote verschil is dat je het opslaat in de vorm van atomair waterstof. In waterstofmoleculen kun je de waterstofatomen niet zo dicht bij elkaar brengen, maar door de invloed van het metaal is dat wel mogelijk.” Dat effect blijkt ruimschoots op te wegen tegen het extra gewicht van het metaal. “We hebben natuurlijk wel voor een relatief licht metaal gekozen: magnesium.”

Magnesiumhydride voldoet daarmee aan de gewichtseis die door het Amerikaanse ministerie van Energie is geformuleerd voor mobiele waterstofopslagsystemen: de waterstof moet minimaal zes procent innemen van het gewicht van het opslagsysteem. Een andere vereiste is een capaciteit van minstens 45 gram waterstof per liter tegen een prijs van minder dan 133 dollar. Ook moet volgens de Amerikanen binnen drie minuten vijf kilo waterstof getankt kunnen worden.

Bij dat laatste ligt het voornaamste probleem met magnesium, zegt Vermeulen. “Magnesium neemt waterstof niet snel genoeg op en staat het ook maar heel langzaam weer af.” Bovendien laat het magnesium de waterstof pas weer los als het wordt verhit tot ongeveer driehonderd graden. Dat is niet praktisch, en daarom ging Vermeulen op zoek naar een manier om het waterstoftransport in magnesiumhydride wat sneller te maken. “Je kunt dat bereiken door er andere elementen aan toe te voegen. We hebben ervoor gekozen om titaan aan het magnesium toe te voegen.”

Hiervoor liet Vermeulen bij Philips -waar zijn promotor prof.dr. Peter Notten werkzaam is- met een speciale techniek dunne metaalfilms maken van een legering (mengsel) van magnesium en titaan. Deze testte hij eerst bij Philips en later aan de TU/e. Hij keek hierbij onder meer naar het verband tussen de kristalstructuur en de snelheid waarmee de film waterstof opneemt en afgeeft. “Dit soort legeringen kan men pas sinds kort maken, de standaard legeringtechnieken zijn hiervoor niet toereikend. Maar in dunne films kan het wel.” Vermeulen geeft toe dat toepassing als opslagmateriaal voor waterstof pas haalbaar is als de magnesium-titaanlegering ook in ‘bulk’ (massief materiaal) kan worden gemaakt. “Maar de films vormen wel een prima testsysteem. Ze hebben in principe dezelfde eigenschappen als de bulkmaterialen.”

Vermeulen kwam erachter dat toevoeging van titaan nauwelijks effect sorteerde zolang de titaanatomen minder dan vijftien procent van het totaal aantal atomen uitmaakte. Het vermogen om snel waterstof op te nemen en weer af te staan, neemt echter drastisch toe boven die vijftien procent. Vermeulen verklaart dit door de verandering in de kristalstructuur van het hydride die optreedt als er voldoende titaan wordt toegevoegd. Het materiaal vormt dan een zogeheten FCC-structuur (face-centered cubic), waarin de waterstof makkelijker beweegt dan in de kristalstructuur van zuiver magnesiumhydride.

Transport
“Het was bekend dat toevoeging van bepaalde elementen, met name scandium, een kristalstructuur oplevert die gunstig is voor het transport van waterstof. En hier in de groep van Notten was eerder al aangetoond dat twintig procent scandium voldoet. Maar scandium is een van de duurste elementen op aarde.” Er zijn nog diverse andere elementen die een positief effect zouden kunnen hebben, maar de meeste hiervan zijn heel zwaar en daardoor ongeschikt, vertelt Vermeulen. “We hebben nu bewezen dat het lichte titaan ook heel goed werkt, en we weten dus ook dat dit aan de veranderde kristalstructuur ligt.” Hij gebruikte röntgenstraling om aan te tonen dat de kristalstructuur inderdaad veranderde onder invloed van het titaan.

Hoewel de toevoeging van titaan het transport van waterstof in het magnesium dus aanzienlijk verbeterde, bleef volgens Vermeulen het probleem dat je het materiaal nog altijd flink moet verhitten om de waterstof eruit los te krijgen. “De legering van magnesium en titaan vormt samen met waterstof een heel stabiel systeem. Daardoor is het lastig om de waterstof te verwijderen. We hebben daarom gezocht naar elementen die een destabiliserende werking kunnen hebben op het systeem.” Op basis van berekeningen koos hij voor aluminium en silicium, allebei lichtgewicht elementen. Met succes. “Zowel aluminium als silicium zorgt ervoor dat de waterstof bij veel lagere temperatuur vrijkomt. Het is nog niet goed genoeg: je wilt eigenlijk bij tachtig graden alle waterstof kwijt zijn, en we zijn nu bij een derde blijven steken, maar mijn opvolger gaat door met dit onderzoek. De resultaten zijn in ieder geval veelbelovend.”/.