‘Wat ons interesseert is hoe ionen precies verdeeld zijn in de buurt van een elektrode’, vertelt Marc Koper. Samen met zijn collega’s bestudeert de hoogleraar katalyse en oppervlaktechemie hoe ionen, geladen deeltjes, zich gedragen in een elektrochemische cel, in feite een soort accu.

Zo’n accu bestaat uit verschillende onderdelen. Om te beginnen heb je een bak met vloeistof, die vol zit met ionen. Daarin steken twee metalen elektroden, de twee polen van de accu. Als er spanning op de accu staat, hopen negatief geladen deeltjes in de vloeistof zich op rond de positief geladen pool, en de positieve deeltjes bij de negatieve pool.

Net als bij een magneet trekken de omgekeerd geladen delen elkaar aan. Zo vormt zich een laag van geladen deeltjes om elke elektrode. Wie een accu wil verbeteren, moet begrijpen wat er op moleculair niveau gebeurt, en dat is wat Koper en zijn collega’s proberen. ‘Wij willen weten wat er precies gebeurt op het grensvlak van de elektrode en de waterige oplossing met ionen.’

Een belangrijke eigenschap van elke elektrode is het zogenoemde nulladingspotentiaal. Bij die standaardwaarde, uniek voor elk type metaal, bedraagt de netto lading op de elektrode precies nul en worden er dus ook geen geladen deeltjes aangetrokken.
‘Als je wil weten wat geladen deeltjes doen, is het belangrijk om te weten bij welke spanning er in feite niets gebeurt. Dat is het startpunt vanaf waar je kan beginnen met redeneren. Als we dat niet kennen, wordt het lastig om kwantitatieve uitspraken te doen.’
Waar het nulladingspotentiaal van ieder metaal ligt, wordt beschreven door de ruim honderd jaar oude Gouy-Chapman-theorie. Maar: die gaat niet helemaal meer op, blijkt nu uit nieuwe experimenten.

‘Het probleem waar ik mee zat is dat het niemand ooit was gelukt om het nulladingspotentiaal van een platina elektrode te meten’, vertelt Koper. ‘Als je zo’n potentiaal wil bepalen doe je dat in een vloeistof met een erg lage concentratie van geladen deeltjes, dat meet het makkelijkst. Men had dat wel geprobeerd bij platina, maar het werkte simpelweg niet. Voor kwik-, goud- en zilver-elektrodes werkt de theorie als verwacht, maar bij platina ging het niet op. Ik liep zelf al 25 jaar rond met de vraag waarom.’

Terwijl onderzoekers wereldwijd aannamen dat de theorie wel gold voor platina, maar het gewoon lastig meetbaar was, bleef het vraagstuk in Kopers hoofd spoken. Totdat hij op een dag zijn postdoc Kasinath Ojha vroeg naar het probleem te kijken. Koper: ‘Hij heeft de metingen herhaald en vond eerst wat mensen jaren geleden ook al vonden: geen nulladingspotentiaal.’

Maar toen kreeg Ojha een idee: wat zou er gebeuren als ze de hoeveelheid geladen deeltjes in de oplossing nog tien keer kleiner zou zijn? ‘Ik was er zelf niet opgekomen’, zegt Koper. ‘Je gelooft zo dat die theorie moet kloppen dat je denkt dat het probleem ergens anders zou moeten liggen. Maar Ojha dacht, we gaan nog een factor tien lager. En toen zagen we het nulladingspotentiaal opeens wél.’ In een publicatie in PNAS delen ze hun resultaten.

Nog niet omvergeworpen

Dat het potentiaal pas bij zo’n lage concentratie zichtbaar is, doet vermoeden dat er veel meer deeltjes ophopen rond de elektrode dan de Gouy-Chapman-theorie voorspelt. Een verdunning van een vloeistof brengt het honderd jaar oude idee opeens aan het wankelen.
‘Deze theorie is ooit bevestigd door metingen met kwik-elektrodes en dan klopt het allemaal perfect’, legt Koper uit. ‘Daar heeft nooit iemand aan getwijfeld. Er waren wel kleine afwijkingen voor goud en zilver, maar dat werd afgedaan als een bijverschijnsel. Maar als je nu naar platina kijkt worden die afwijkingen enorm groot en moet er misschien toch iets anders aan de hand zijn. We hebben meerdere ionen getest: natrium, kalium, lithium. Dat maakte allemaal geen verschil. Er is blijkbaar iets aan de hand bij platina dat er meer ionen in de buurt van het oppervlak zitten dan bij goud en kwik.’

Volgens hem is de Gouy-Chapman-theorie door deze ontdekking nog niet omvergeworpen. Samen met collega Katharina Doblhoff-Dier, theoretisch elektrochemicus, ontwikkelde Koper een model waarmee de theorie nog steeds kan werken. ‘Met een paar toevoegingen.’ Zo wordt het wellicht mogelijk om betere elektrochemische cellen te ontwikkelen.

De volgende stap voor Koper is duidelijk: ‘Ik wil dit experiment herhalen met goud, en misschien nog terug naar kwik. Wie zegt eigenlijk dat de theorie daar altijd opgaat? Misschien zijn daar ook afwijkingen die nooit zijn gezien of gepubliceerd. We moeten weten of we de theorie moeten aanpassen, of wanneer die toevoegingen aan de theorie belangrijk zijn. En ook waarom. Ik heb er wel ideeën over wat het zou kunnen zijn. Met een advanced grant van het European Research Council wil ik gaan uitzoeken wat het precies is.’

Waarom kwam hij zelf niet op het idee om de concentratie ionen verder te verlagen? Lachend: ‘Achteraf is het heel logisch om het te proberen, maar dat is meestal met dit soort dingen. Kasinath had weinig vooroordelen en dat hielp hem heel erg. Hij dacht, weet je wat, ik ga een factor tien lager. Toen hij me de resultaten liet zien dacht ik: verdorie, natuurlijk!’