Nieuwe methode om elektrochemische reacties optisch te monitoren op nanoschaal

Veel technologische toepassingen, zoals sensoren en batterijen, zijn sterk afhankelijk van elektrochemische reacties. Om deze technologieën te verbeteren, is het belangrijk om de reacties goed te begrijpen. De meeste bestaande methoden schieten daarin echter tekort. Ze kunnen elektrochemische processen niet op kleine schaal volgen. Wetenschappers van de Universiteit Utrecht hebben nu een nieuwe methode ontwikkeld die dit wél kan. Daarmee ontstaat een krachtige nieuwe manier om elektrochemische processen te bestuderen én te verbeteren. Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in PNAS.

De productie van waterstof via elektrolyse is een voorbeeld waarbij elektrochemische reacties aan elektroden van groot belang zijn voor duurzame technologie. De belangrijkste stappen van deze reacties vinden echter plaats binnen slechts enkele nanometers van het elektrode-oppervlak en dat is voor conventionele methoden te klein om waar te nemen.

Nanoholes

Onderzoekers van de Universiteit Utrecht hebben samen met collega’s van de East China University of Science and Technology een nieuwe techniek ontwikkeld die het mogelijk maakt om elektrochemische reacties op nanoschaal te volgen. De techniek heet Opto-Iontronische Microscopie en maakt gebruik van een optische microscoop. De elektrochemische reacties vinden plaats in een piepklein gaatje, een zogenoemde nanohole. Door licht op de nanohole te schijnen en veranderingen in het verstrooide licht te meten, geeft de techniek inzicht in de elektrochemische activiteit binnen dit gebied.

Het opent nieuwe mogelijkheden voor de analyse van elektrochemische reacties op zeer kleine schaal

Krachtige nieuwe techniek

Volgens natuurkundige Zhu Zhang, eerste auteur van de studie, is het een krachtige nieuwe techniek om elektrochemische reacties op nanoschaal te monitoren. “Het opent nieuwe mogelijkheden voor de analyse van elektrochemische reacties op zeer kleine schaal,” zegt hij. De nieuwe methode werd getest met een model-elektrochemische reactie, de ferrocenedimethanol-redoxreactie. Daarnaast werden de metingen vergeleken met de resultaten van een theoretisch model voor elektrochemische processen.

Opto-Iontronische Microscopie heeft een belangrijk voordeel ten opzichte van andere technieken om reacties op kleine schaal te bestuderen. Een elektronenmicroscoop werkt bijvoorbeeld in hoog vacuüm, waardoor samples moeten worden voorbehandeld. Met Opto-Iontronische Microscopie kunnen reacties worden bestudeerd onder realistische omstandigheden. Samples hoeven niet te worden bewerkt en de omstandigheden weerspiegelen de praktijk. Deze voordelen maken de techniek relatief goedkoop. Hoewel de resolutie momenteel lager is dan bij elektronenmicroscopie, is zij nog steeds hoog, met metingen per milliseconde.

De methode is relevant voor veel onderzoeksgebieden waarin elektrochemische reacties centraal staan. Waterstof- en brandstoftechnologieën, zoals elektrolyse, zijn slechts één voorbeeld. Andere toepassingsgebieden zijn materiaal- en grensvlakonderzoek, zoals katalysatorontwerp, en analytische en milieu-elektrochemie, waaronder elektrochemische sensoren.

Klaar voor gebruik

De techniek is klaar voor gebruik en Zhang heeft contact met onderzoekers uit verschillende vakgebieden om samen te werken, onder meer op het gebied van elektrolyse en circulaire batterijen. In een van de projecten willen Zhang en zijn team een prototype ontwikkelen voor de veilige en schaalbare opslag van waterstof. Huidige opslagmethoden zijn relatief onveilig en verbruiken veel energie.

Opto-Iontronische Microscopie helpt dit project door het transport van ionen en waterstof op nanoschaal en in real time direct zichtbaar te maken in materialen voor opslag. Zo wordt duidelijk waar energieverlies optreedt en veiligheidsrisico’s ontstaan, wat helpt bij het ontwerpen van veiligere en efficiëntere materialen voor de opslag van waterstof. Het project ontving onlangs financiering van de Utrechtse onderzoeksgemeenschap Pathways to Sustainability.