Zonneapparaat maakt waterstof uit zeewater en ruimt gifstof op

Waterstof geldt als een van de schoonste brandstoffen van de toekomst, maar de productie ervan kost meestal veel zoet water en energie. Een team onder leiding van professor Lydia Wong van de Nanyang Technological University (NTU) in Singapore presenteert nu een oplossing die twee problemen tegelijk aanpakt: het apparaat wint waterstof uit zeewater en breekt daarbij hydrazine af, een sterk giftige stof die veel wordt gebruikt in de raketvaart en de chemische industrie. De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.

Waarom zeewater lastig is voor elektrolyse

Groene waterstof wordt meestal gemaakt via elektrolyse: stroom splitst watermoleculen in waterstof en zuurstof. Zoet water is hiervoor de standaard, omdat zeewater chloride-ionen bevat die de reactie verstoren. Die ionen kunnen bovendien reageren tot chloorverbindingen die giftig zijn en de elektroden aantasten. Door zeewater direct te gebruiken, hoeft er geen kostbaar zoetwater of extra zuiveringsstap aan te pas te komen, wat het proces in potentie veel duurzamer maakt.

Een nieuwe rol voor de anode

De Singaporese onderzoekers losten het chloorprobleem op door de reactie aan de positieve elektrode, de anode, te veranderen. In plaats van de gebruikelijke zuurstofproductie gebruikten ze een katalysator van ijzer, kobalt en chroom die hydrazine afbreekt tot waterstof en onschuldig stikstofgas. Omdat deze reactie minder energie kost dan het maken van zuurstof, kan het hele systeem waterstof produceren met een lager energieverbruik. Tegelijkertijd verwijdert de anode de gifstof direct uit het water, zonder dat die eerst apart moet worden afgescheiden.

Zonlicht vangen met perovskiet

Aan de andere kant van het apparaat, de kathode, zit een laag gemaakt van loodhalide-perovskiet, een halfgeleidermateriaal dat zonlicht efficiënt omzet in elektriciteit. Om deze gevoelige laag te beschermen tegen het corrosieve zeewater, gebruikten de onderzoekers een geleidende epoxyhars met zilver- en koperdeeltjes, aangevuld met een laagje titaniumfolie. Het geheel vormt zo een fotoelektrochemische cel die zonlicht direct omzet in chemische reacties, zonder tussenkomst van een batterij of zonnepaneel.

Resultaten: waterstof en schoon water

In tests met echt en nagemaakt zeewater bleef het apparaat langer dan 72 uur stabiel werken onder belichting die overeenkomt met een heldere dag op aarde. Het produceerde daarbij waterstof met een snelheid van 466 micromol per vierkante centimeter per uur, vergelijkbaar met andere zonne-aangedreven systemen. Nog opvallender was het effect op de waterkwaliteit: binnen 30 uur daalde de hydrazineconcentratie van 0,5 mol per liter naar slechts 0,5 deeltjes per miljard, ruim twintig keer onder de veiligheidsnorm van de Amerikaanse milieudienst EPA. Volgens Wong laat het onderzoek zien dat je energieproductie en vervuilingsbestrijding in één apparaat kunt combineren. Haar team werkt nu aan varianten die ook andere giftige stoffen kunnen afbreken en omzetten in bruikbare chemicaliën of brandstoffen.