Klimaat & energie › Groene waterstof & e-fuels
Plastic-achtige katalysator zet zonlicht efficiënt om in groene waterstof
Onderzoekers hebben een kunststofachtige katalysator ontwikkeld die zonlicht rechtstreeks omzet in waterstofgas, zonder tussenkomst van zonnepanelen of een aparte elektrolyser. Het materiaal haalt daarbij voor het eerst een rendement dat in de buurt komt van de beste anorganische katalysatoren, en behoudt dat rendement ook nog eens. Dat maakt goedkope, zon-gedreven waterstofproductie een stap dichterbij, melden onderzoekers deze week in Nature.
Waterstof rechtstreeks uit water en zon
Sinds het Klimaatakkoord van Parijs uit 2015 zoeken wetenschappers naarstig naar manieren om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. Wind- en zonne-energie kunnen in principe de hele wereld van stroom voorzien, maar hebben een groot nadeel: ze zijn er niet altijd. Zonder zon geen zonnestroom, zonder wind geen windstroom. Een oplossing is om overtollige zonne- en windenergie op te slaan in de vorm van waterstof. Dat gas is te bewaren, te vervoeren en te gebruiken als schone brandstof voor onder meer de industrie en het zware transport.
Er zijn twee manieren om waterstof met zonlicht te maken. De eerste is indirect: zonnepanelen wekken stroom op, die vervolgens water splitst in een elektrolyser. De tweede is direct: een katalysator zet zonlicht rechtstreeks om in de energie die nodig is om watermoleculen te splitsen in waterstof en zuurstof. Dat proces heet fotokatalytische waterontleding. De directe route is in potentie eenvoudiger en goedkoper, omdat er geen aparte stroomvoorziening en elektrolyser voor nodig zijn.
Kunststof katalysatoren houden eindelijk gelijke tred
Voor fotokatalytische waterontleding gebruiken onderzoekers meestal anorganische materialen, zoals metaaloxiden. Polymere katalysatoren – kunststofachtige stoffen opgebouwd uit herhalende moleculaire eenheden, vaak gebaseerd op koolstofnitride – staan al langer te boek als goedkoper en makkelijker te bewerken alternatief. Het probleem was tot nu toe hun rendement, vaak uitgedrukt als STH-efficiëntie: het percentage zonne-energie dat daadwerkelijk in waterstof wordt omgezet. Polymere katalysatoren bleven daarin flink achter bij anorganische materialen, en hun prestaties zakten bovendien snel weer in.
Een onderzoeksteam onder leiding van Zhuzhang en collega's laat in Nature zien hoe dat rendement wél op een hoog niveau te krijgen én te houden is. De sleutel ligt in de opbouw van het materiaal: een tweedimensionaal polymeer waarin de elektrische lading die door het zonlicht wordt losgemaakt, dwars door de moleculaire lagen beweegt in plaats van ernaast. Dat ladingstransport dwars op het materiaal zorgt ervoor dat positieve en negatieve ladingen elkaar minder snel weer opheffen voordat ze hun werk hebben gedaan: het splitsen van water, inclusief de lastige zuurstofevolutiereactie waarbij zuurstofgas vrijkomt.
Nog een lange weg te gaan
De bevinding is vooral belangrijk omdat ze een langgekoesterde belofte van polymere fotokatalysatoren eindelijk waarmaakt: hoge activiteit die aanhoudt in plaats van snel wegzakt. Dat opent de deur voor katalysatoren die goedkoper te maken zijn dan de huidige anorganische varianten, wat de kosten van groene waterstof zou kunnen verlagen. Voordat deze materialen in fabrieken of op daken hun werk kunnen doen, moeten onderzoekers nog aantonen dat de aanpak ook op grotere schaal en onder praktijkomstandigheden overeind blijft. Toch is de studie een signaal dat het efficiëntiegat tussen kunststof en anorganische fotokatalysatoren kleiner wordt – een stap die de zoektocht naar betaalbare, zon-gedreven waterstofproductie een duw in de rug geeft.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Als polymere fotokatalysatoren blijvend een hoog rendement halen, kan groene waterstof in de toekomst goedkoper en eenvoudiger geproduceerd worden, zonder aparte zonnepanelen en elektrolysers. Dat zou zonlicht als directe energiebron voor brandstofproductie een flinke stap dichterbij brengen, al is opschalen naar de praktijk nog een uitdaging.
- Fotokatalytische waterontleding
- Een proces waarbij een katalysator zonlicht gebruikt om watermoleculen rechtstreeks te splitsen in waterstof en zuurstof, zonder tussenkomst van elektriciteit.
- Polymere fotokatalysator
- Een kunststofachtig materiaal dat onder invloed van licht chemische reacties zoals waterontleding op gang kan brengen.
- Koolstofnitride
- Een veelgebruikte klasse van polymere materialen die dienstdoet als goedkope, lichtgevoelige katalysator voor waterstofproductie.
- 2D-polymeer
- Een kunststof opgebouwd uit dunne, vlakke moleculaire lagen, vergelijkbaar met de structuur van grafeen.
- STH-efficiëntie
- De maat voor hoeveel procent van de invallende zonne-energie daadwerkelijk wordt omgezet in waterstof (solar-to-hydrogen).
- Zuurstofevolutiereactie
- De chemische deelstap waarbij bij het splitsen van water zuurstofgas vrijkomt; van oudsher de traagste en lastigste stap in het proces.
- Anorganisch materiaal
- Een niet-koolstofgebaseerd materiaal, zoals een metaaloxide, dat van oudsher de beste resultaten haalt bij fotokatalytische waterontleding.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
