Op jacht naar waterstofrecepten

Er is een stille revolutie gaande in materialenonderzoek. Toen Nong Artrith haar carrière in de natuur- en scheikunde begon, werden nieuwe chemische reacties alleen in het lab ontdekt. “Maar inmiddels zijn we dit proces sneller, veiliger en goedkoper aan het maken met computersimulaties en kunstmatige intelligentie.”

Waterstof is een van de meest veelbelovende materialen voor de energietransitie: het kan worden gebruikt voor energieopslag en als basis voor synthetische brandstoffen. Maar er is nog werk aan de winkel, vertelt interdisciplinair materiaalwetenschapper Nong Artrith. “Waterstof wordt al gebruikt in industriële toepassingen, maar het is nog niet efficiënt en goedkoop genoeg om in te zetten in kleinere hoeveelheden, zoals in onze auto’s. Bovendien wordt de meeste industriële waterstof momenteel nog geproduceerd met fossiele brandstoffen, dus ook wat dat betreft zijn we er nog niet.”

Dat komt omdat groene waterstof niet makkelijk te maken is, legt Nong uit. “De chemische reactie is weliswaar eenvoudig: als je een watermolecuul uit elkaar haalt, krijg je één atoom zuurstof en twee atomen waterstof. Maar het is heel moeilijk om een watermolecuul in die afzonderlijke atomen te splitsen, daar is veel energie voor nodig. We kunnen dat proces vergemakkelijken met een katalysator: een ander materiaal dat helpt bij de chemische reactie. Op dit moment zijn die katalysatoren echter vaak gemaakt van dure materialen, zoals platina of iridium, dus ik wil een veel goedkopere katalysator vinden die net zo goed werkt.”

Veelbelovende recepten

Die zoektocht naar een goedkopere katalysator is een flinke puzzel. “We onderzoeken nieuwe katalysatoren op basis van goedkope materialen, zoals ijzer, koper, nikkel of zwavel,” vertelt Nong. “Maar er zijn zoveel manieren om die elementen te combineren, in verschillende hoeveelheden en onder verschillende experimentele omstandigheden zoals temperatuur en druk.”

Om te voorkomen dat er miljoenen verschillende katalysatoropties in het lab getest moeten worden, maakt Nong daarom slim gebruik van ontwikkelingen in big data en AI (kunstmatige intelligentie). Ze heeft een AI-systeem ontwikkeld dat chemische reacties kan voorspellen. “We hebben het systeem getraind met de natuurkunde en kwantummechanica van chemische reacties, plus zoveel mogelijk relevante experimentele data. Je kunt het AI-systeem nu bijvoorbeeld vragen hoe je een betere katalysator voor waterstofproductie kunt maken, en dan geeft het je een paar veelbelovende recepten. Die moeten we nog wel in het lab testen om te zien of ze ook echt werken. Maar omdat het AI-systeem al een eerste selectie heeft gemaakt, hebben we minder mislukte experimenten. Dat maakt materialenonderzoek sneller, veiliger en goedkoper.”

Krachten bundelen

Nong heeft een heldere visie voor de toekomst van haar onderzoeksveld. “We zouden onze AI-modellen flink kunnen verbeteren door ze te trainen met zoveel mogelijk experimentele data, van scheikunde-onderzoeksgroepen wereldwijd. Daarom is open science zo belangrijk. Ik ben er trots op dat we hier aan de Universiteit Utrecht het voortouw nemen, en ik merk de laatste tijd dat steeds meer onderzoeksgroepen zich bij deze beweging aansluiten. Mijn eigen AI-modellen en database zijn al open access.”

Het belang van samenwerken ziet Nong ook buiten de academische wereld. “We moeten het gesprek over duurzaamheid aan gaan met onze ouders, onze neven en nichten, onze kinderen – ons hele dorp. Praat met ze over wat ze meemaken: waarom is het zo warm? Waarom zijn er vaker overstromingen? Zo begrijpen ze eerder de gevolgen van klimaatverandering en het belang van duurzaamheid. Veel mensen hebben het gevoel dat ze zelf niets kunnen doen, of ze hebben andere dingen aan hun hoofd. Misschien moeten ze zeven dagen per week werken om hun gezin te onderhouden en hebben ze geen tijd voor activisme, of geen geld voor duurdere klimaatvriendelijke producten. Maar het is belangrijk om deze mensen te laten weten dat ze toch impact kunnen maken door te stemmen. Als we onze krachten bundelen, kunnen we leiders kiezen die de juiste beslissingen nemen.”

Bron: Illuster april 2023