Kunstmatig 'blad' maakt waterstof en reinigt zeewater in één apparaat

Waterstof maken uit water kost normaal veel energie, en afvalwater zuiveren is een apart, even energie-intensief proces. Onderzoekers van de Nanyang Technological University (NTU) in Singapore bedachten een manier om beide tegelijk te doen. Hun apparaat, geïnspireerd door de werking van een plantenblad, zet zonlicht om in waterstofgas terwijl het gelijktijdig hydrazine afbreekt, een zeer giftige stof die vaak voorkomt in industrieel afvalwater.

Twee problemen, één oplossing

Bij gewone elektrolyse wordt water met stroom gesplitst in waterstof en zuurstof. Die zuurstof is vaak een nutteloos bijproduct waar toch veel energie in gaat zitten. De Singaporese onderzoekers vervingen de elektrode die normaal zuurstof maakt door een elektrode met een speciale katalysator die hydrazine afbreekt tot stikstofgas. Dat proces kost minder energie dan zuurstofproductie, waardoor het hele systeem efficiënter waterstof levert. De katalysator, gemaakt van ijzer, kobalt en chroom, is bovendien bestand tegen het zout in zeewater, dat normaal gesproken elektrodes aanvreet en schadelijke chloorverbindingen kan vormen.

De andere elektrode van het apparaat is gemaakt van lood-halide perovskiet, een materiaal dat zonlicht direct omzet in elektriciteit. Daardoor heeft het systeem geen externe stroombron nodig: het 'blad' wekt zijn eigen energie op uit zonlicht en gebruikt die meteen om waterstof te maken. Omdat perovskiet gevoelig is voor vocht en agressieve chemicaliën, beschermden de onderzoekers het met een laagje geleidende epoxy met zilver en koper, plus een folie van titanium en een dun laagje platina.

Resultaten in de praktijk

In laboratoriumtests, met zowel nagemaakt als echt zeewater waaraan hydrazine was toegevoegd, bleef het apparaat 72 uur lang stabiel presteren. Het produceerde waterstof in een tempo van 466 micromol per vierkante centimeter per uur. Bij een opgeschaalde versie, met een elf keer groter oppervlak, daalde de hydrazineconcentratie in ongeveer 30 uur van 0,5 molair (zo'n 1,6 gewichtsprocent) naar 0,5 deeltjes per miljard. Dat is ruim twintig keer lager dan de toegestane norm van de Amerikaanse milieudienst EPA. Buitentests onder natuurlijk zonlicht lieten bovendien zien dat het systeem ook buiten het lab werkt, met zichtbare waterstof- en stikstofbelletjes.

Nog geen doorbraak voor de hele sector

Volgens hoogleraar Lydia Wong, een van de onderzoekers, lost het apparaat tegelijk een energie- en een vervuilingsprobleem op. Maar de techniek heeft een duidelijke beperking: de elektrode werkt alleen als er daadwerkelijk hydrazine aanwezig is. Het systeem is dus geschikt voor specifiek vervuild afvalwater, niet voor algemene waterstofproductie uit willekeurig zeewater. Ook blijft het giftige lood in de perovskiet-elektrode een punt van zorg, ondanks de beschermende laagjes. De onderzoekers, die hun werk publiceerden in het tijdschrift Nature Communications, noemen het nadrukkelijk een proof-of-concept. Opschaling, langdurige stabiliteit en geschiktheid voor wisselende waterkwaliteit moeten nog verder onderzocht worden voordat van praktische toepassing sprake kan zijn.