Een weekje doorhalen bij het synchrotron
We spreken Sheena Louisia een paar weken voordat ze vertrekt naar Berkeley, Californië voor een volle week meten bij de Advanced Light Source, een soort deeltjesversneller die intensieve röntgenstraling levert voor wetenschappelijk onderzoek. ‘Het wordt heel intens, maar ook ontzettend bijzonder’, zegt Louisia.
Het bezoek wordt gefinancierd met een bijdrage van 26.250 euro voor reiskosten, extra apparatuur en materialen, met dank aan de schenkers van het LUF en de Gratama-Stichting. ‘We hebben vijf dagen beam time, tijd om te meten met één van de stralingsbundels, en daar moet je dan alles uit zien te persen’, vertelt Louisia, een onderzoeker in de onderzoeksgroep van Marc Koper, hoogleraar Katalyse en oppervlaktechemie. ‘En ik moet daarvóór nog heel veel voorbereiden.’
De basis van de waterstofeconomie
Louisia doet onderzoek aan elektrokatalyse, chemische reacties waarbij elektriciteit gebruikt wordt. Het bekendste voorbeeld is de reactie waarbij met elektriciteit water wordt gesplitst in waterstof en zuurstof. Zo kun je elektrische stroom, bijvoorbeeld afkomstig van windenergie of zonnecellen, omzetten in waterstof: een CO2-vrije energiedrager, een belangrijke chemische grondstof, en de basis van de waterstofeconomie. Chemiereuzen investeren steeds meer in elektrolyseinstallaties met dit doel. ‘Maar de techniek kan nog flink verbeterd worden’, legt Louisia uit, ‘de huidige elektrolyse-installaties werken onder zure omstandigheden, en vereisen dure metalen als platina en iridium om stabiel te blijven. In basische omstandigheden hoeft dat niet, maar dan is de reactie minder efficiënt.’ Daar is dus ruimte voor verbetering, en Louisia’s onderzoek moet daarbij helpen.
Bij elektrolyse van water steek je een elektrode in het water, en zet daar dan stroom op, legt ze uit. ‘Op het oppervlak van de elektrode reageren de watermoleculen en vormen ze waterstof. Die reactie vindt plaats in een heel dun laagje, waarin het water zich net iets anders gedraagt dan in de bulk, de rest van het water. Wat daar precies gebeurt begrijpen we niet goed, maar het heeft wel invloed op de reactie.’ Om daarachter te komen moet je metingen doen aan dat grenslaagje, ingeklemd tussen een veel dikkere elektrode, en de water-bulk. Dat is erg lastig, ook omdat het maar om heel weinig moleculen gaat.
'Het is teamwork, dus je moet op elkaar vertrouwen'
Louisia heeft zich in de loop der jaren ontwikkeld tot een expert in de techniek waarmee dat wel mogelijk is: XPS, ofwel röntgen-foto-elektronspectroscopie. ‘Je schiet heel intense röntgenstraling op je moleculen. Die slaat elektronen los uit de moleculen, en die elektronen die vang je op. Aan de energie van die elektronen kun je dan iets afleiden over de moleculen waar ze uit weggeschoten zijn.’ Alleen: röntgenstraling van de nodige intensiteit en kwaliteit is wereldwijd beschikbaar in slechts een paar synchrotrons, een soort deeltjesversnellers speciaal gebouwd voor onderzoekers als Louisia, die ook drie promovendi meeneemt op de meetcampagne.
12 uur op, 12 uur af
‘De tijd is beperkt, dus het is 12 uur op 12 uur af, er is altijd iemand bezig. Je probeert alles voor te bereiden, maar er gaat natuurlijk wel eens wat mis. Een onderdeel gaat stuk, een proef loopt niet, er zit een bug in de software of er is iets mis met de röntgenbundel. Dat moet je dan zien op te lossen. Het is teamwork, dus je moet op elkaar vertrouwen. Er is geen ruimte voor vergissingen.’
Voor Louisia is het de zesde keer, voor de promovendi de derde. ‘Die leren er ook veel van.’ En na afloop? ‘Ha, dan slaap je, heel lang. Het wordt loodzwaar, maar ik kijk er enorm naar uit.’
Met de bijdrage van onze schenkers ondersteunt het LUF innovatieve en impactvolle projecten van talentvolle, veelal jonge, onderzoekers zoals dr. Sheena Louisia. Zo kennen we jaarlijks subsidies toe aan onderzoeks- en onderwijsprojecten op diverse wetenschapsgebieden.
Headerfoto: onderzoeksfaciliteit Advanced Light Source (ALS) in Berkeley, Californië