(C H Me ) P(C F )B(C F ) 6 2 3 2 6 4 6 5 2

Een nieuwe verbinding met waterstof is een kleine stap op weg naar een andere technologie voor waterstofopslag in tanks. Michiel van Nieuwstadt

Voor het eerst is het gelukt om waterstof (H2) te binden aan een metaalloze verbinding en het ook weer daaruit los te maken, zonder hulp van een katalysator en onder milde omstandigheden. Deze ontdekking van een team van chemici onder leiding van George Welch van de universiteit van Windsor in de Canadese provincie Ontario biedt uitzicht op goedkopere, milieuvriendelijkere katalysatoren en een nieuwe opslagmethode voor waterstof. (Science, 17 november).

“Het was bekend dat waterstof kan worden gebonden aan organische moleculen, bijvoorbeeld door onverzadigde bindingen te verzadigen”, zegt Petra de Jongh, anorganisch chemicus aan de Universiteit Utrecht en specialist op het gebied van katalyse en opslag van waterstof. “Daarbij is wel altijd een katalysator nodig voor de opname van waterstof en een hoge temperatuur voor het vrijmaken ervan. In dit geval zijn beide niet nodig.”

Katalysatoren helpen waterstof te binden in een categorie chemische reacties in industriële processen zoals bewerking van ruwe olie en kunstmestproductie (hydrogenering). Als katalysatoren worden nu vaak edelmetalen zoals platina en palladium gebruikt. Die zijn duur en beperkt voorradig. Welch’ studie maakt duidelijk dat ook organische moleculen katalysator kunnen zijn in deze veelvoorkomende reacties.

voordeel

Het binden en weer losmaken van waterstof uit de metaalloze verbinding (C

De metaalloze verbinding waaraan Welch werkt, is een groot organisch molecuul, een ‘fosfine-boraan-complex’. Het bestaat uit een boor-atoom en een fosfor-atoom, beide aan de buitenkant behangen met organische groepen, en verbonden door een brug: een koolstofring met fluoratomen. Als het complex waterstof opneemt, wordt het in twee waterstofatomen gesplitst die eindigen aan weerszijden van de brug.

Het molecuul laat de waterstof ontsnappen bij een temperatuur van circa 100 graden Celsius en neemt het weer op bij kamertemperatuur en een druk van circa één atmosfeer. “Dat is precies wat je zou wensen voor toepassing in combinatie met een brandstofcel in een auto en het vullen van het waterstoftank aan de pomp”, zegt De Jongh.

nadeel

Dat wil niet zeggen dat Welch het probleem van de waterstofopslag heeft opgelost. Het fosfine-boraan-complex heeft een lage opslagcapaciteit. Als waterstof erin is opgenomen vertegenwoordigt het niet meer dan 0,25 procent van het totale gewicht van het molecuul. In een bruikbare waterstoftank moet het waterstof tenminste 6 procent van het gewicht voor zijn rekening nemen. “Als je waterstof opneemt in het kristalrooster van een licht metaal als magnesium kom je tot 7,7 procent”, zegt De Jongh. “Nadeel is dat je een temperatuur van 300 graden Celsius nodig hebt om het er weer uit te krijgen.”

Volgens een commentaar van de chemicus Gregory Kubas van Los Alamos National Laboratory is nu “de jacht geopend” op moleculen die vergelijkbaar zijn met het complex van Welch. Maar De Jongh merkt op dat het moeilijk zal zijn om veel meer waterstof op te slaan in dit soort organische moleculen. “Als je kijkt naar de structuur van het molecuul, is dat in een oogopslag duidelijk”, zegt zij. “Je hebt een groot molecuul waarin je slechts twee waterstofatomen reversibel kan opslaan. Als je het molecuul voor een efficiëntere opslag van waterstof wilt gebruiken zou je minstens één waterstofatoom per twee koolstofatomen kwijt moeten kunnen. Dat betekent dat je op zoek moet naar kleinere organische moleculen, óf er meer waterstof aan moet hangen.”