Klimaat & energie › Groene waterstof & e-fuels
Lichtgestuurde katalysator maakt groene waterstofperoxide drie keer efficiënter
Onderzoekers van het Max Planck Institute hebben een nieuwe fotokatalysator ontwikkeld die waterstofperoxide produceert met behulp van licht in plaats van fossiele energie. Door de rangschikking van ionen in het materiaal precies te sturen, werkt de katalysator drie keer zo efficiënt als bestaande duurzame alternatieven. Dat kan de productie van dit veelgebruikte schoonmaak- en ontsmettingsmiddel een stuk groener maken.
Waterstofperoxide (H₂O₂) is overal te vinden: in ontsmettingsmiddelen, wasmiddelen en bij de zuivering van afvalwater. De stof geldt als milieuvriendelijk omdat ze bij afbraak alleen water en zuurstof achterlaat. Het probleem zit in de productie. Fabrikanten gebruiken daarvoor nog vooral het zogeheten antrachinonproces, een methode die veel energie slurpt en een flinke CO2-voetafdruk heeft. Nu de vraag naar waterstofperoxide groeit, groeit ook de behoefte aan een schonere productiewijze.
Licht als aandrijving
Een veelbelovend alternatief is fotokatalyse. Daarbij absorbeert een materiaal, de katalysator, licht en gebruikt die energie om een chemische reactie op gang te brengen, zonder fossiele brandstof. Hoe goed dat werkt, hangt af van hoe gemakkelijk de elektrische ladingen die door het licht ontstaan zich door het materiaal kunnen bewegen en hoe lang ze beschikbaar blijven om daadwerkelijk mee te reageren. Een internationaal onderzoeksteam, met onder meer scheikundige Anna Lo Presti en onderzoeksleider Christian Pelicano van het Max Planck Institute of Colloids and Interfaces in Potsdam, zocht naar een manier om dat al tijdens de opbouw van het materiaal te verbeteren.
In plaats van de chemische samenstelling van de katalysator aan te passen, veranderde het team de ruimtelijke ordening van de bouwstenen. Daarvoor gebruikten de onderzoekers speciale kristallen, zogeheten ionische cocrystallen, waarin lithium- en kaliumionen al in een vaste, voorspelbare structuur zitten. Door deze kristallen te verhitten, ontstond een nieuw materiaal genaamd CALiK: een kristallijn carbon nitride uit de familie van polyheptazine-imiden, met de ionen netjes op hun plek in plaats van willekeurig verspreid, zoals bij de gangbare productiemethode met gesmolten zout gebeurt.
Drie keer meer opbrengst
Het verschil in prestatie was groot. Onder de geteste omstandigheden produceerde CALiK ongeveer drie keer zoveel waterstofperoxide als het op de gangbare manier gemaakte vergelijkingsmateriaal KPHI, en circa 40 procent meer dan een variant met slechts één type ion. Bij belichting met een golflengte van 410 nanometer haalde CALiK een zogeheten kwantumrendement van 58 procent, de hoogste waarde van alle geteste materialen. Dat getal geeft aan hoe efficiënt binnenkomende lichtdeeltjes worden omgezet in elektronen die daadwerkelijk bijdragen aan de reactie.
Metingen en berekeningen wijzen erop dat de ladingen in CALiK beter van elkaar gescheiden blijven, waardoor ze langer beschikbaar zijn om met zuurstof te reageren. De positie van de lithiumionen in het kristalrooster lijkt de elektronische omgeving zodanig te veranderen dat zuurstofactivatie makkelijker verloopt. De onderzoekers benadrukken dat hun berekeningen op vereenvoudigde modellen zijn gebaseerd en nog niet het volledige proces in het echte materiaal beschrijven. De studie, gepubliceerd in Advanced Materials, biedt volgens het team wel een concrete strategie om polymere fotokatalysatoren al tijdens hun synthese te optimaliseren, een aanpak die breder toepasbaar kan zijn dan alleen voor waterstofperoxide.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Een efficiëntere, lichtgedreven manier om waterstofperoxide te maken kan de chemische industrie minder afhankelijk maken van energie-intensieve processen en fossiele brandstoffen. Als de aanpak van het Max Planck-team op grotere schaal werkt, kan dezelfde strategie, het precies rangschikken van ionen tijdens de synthese, ook andere fotokatalysatoren verbeteren, bijvoorbeeld voor waterzuivering of de productie van andere duurzame chemicaliën.
- Waterstofperoxide (H₂O₂)
- Een chemische stof die als ontsmettingsmiddel en bleekmiddel wordt gebruikt en bij afbraak alleen water en zuurstof achterlaat.
- Fotokatalysator
- Een materiaal dat licht opvangt en de energie daarvan gebruikt om een chemische reactie te laten plaatsvinden, zonder fossiele brandstof.
- Antrachinonproces
- De gangbare, energie-intensieve industriële methode om waterstofperoxide te produceren, met een grote CO2-uitstoot.
- Carbon nitride
- Een materiaal opgebouwd uit koolstof en stikstof, dat als basis dient voor de onderzochte fotokatalysator.
- Ionische cocrystallen
- Kristallen waarin geladen deeltjes (ionen) in een vaste, voorspelbare structuur zitten, gebruikt als grondstof om de nieuwe katalysator te maken.
- Polyheptazine-imide (PHI)
- Een specifieke klasse van carbon nitride-materialen waartoe de nieuwe katalysator CALiK behoort.
- Kwantumrendement
- Een maat die aangeeft hoe efficiënt binnenkomende lichtdeeltjes (fotonen) worden omgezet in elektronen die de chemische reactie aandrijven.
- Ladingsscheiding
- Het proces waarbij door licht opgewekte elektrische ladingen uit elkaar blijven, zodat ze beschikbaar blijven voor een chemische reactie in plaats van direct weer te verdwijnen.
- Golflengte
- De eigenschap van licht die bepaalt welke kleur het heeft; hier gemeten in nanometers (410 nm, in het violette lichtspectrum).
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
