Fotokatalytische waterontleding: zonlicht dat rechtstreeks waterstof maakt
Fotokatalytische waterontleding is een techniek waarbij zonlicht wordt gebruikt om watermoleculen (H2O) direct te splitsen in waterstofgas (H2) en zuurstofgas (O2), zonder tussenkomst van een stroomkabel of een aparte elektrolyser. Het licht valt op een speciaal materiaal, een zogeheten fotokatalysator, dat de energie van de zonnestralen opvangt en gebruikt om de chemische reactie op gang te brengen. Je kunt het vergelijken met een blad aan een boom: een plant vangt zonlicht op en zet dat om in energierijke suikers. Fotokatalytische waterontleding doet iets vergelijkbaars, maar dan met water als grondstof en waterstofgas als product. Daarom wordt de techniek ook wel 'kunstmatige fotosynthese' genoemd.
Stel je een dun plaatje voor, ongeveer zo groot als een dakpan, dat drijft in een bak water in de volle zon. Aan het oppervlak van dat plaatje ontstaan na een tijdje kleine belletjes: aan de ene kant waterstof, aan de andere kant zuurstof. Er komt geen stopcontact, batterij of zonnepaneel met bedrading aan te pas. Het plaatje zelf, gemaakt van een halfgeleidermateriaal met een katalysator erop, doet al het werk. Dat maakt het aantrekkelijk als methode om in de toekomst grote hoeveelheden 'groene' waterstof te maken, rechtstreeks uit zonlicht en water.
Wat is het precies?
De kern van de techniek is een halfgeleider, een materiaal dat net als in zonnepanelen elektrisch geladen deeltjes (elektronen) kan loslaten wanneer er licht op valt. In een gewoon zonnepaneel worden die losgelaten elektronen via draden weggeleid als elektrische stroom. Bij fotokatalytische waterontleding gebeurt er iets anders: de elektronen en de 'gaten' die ze achterlaten (plekken met een positieve lading) worden direct ingezet om water te ontleden, op het oppervlak van hetzelfde deeltje.
Dat gebeurt in twee stappen die tegelijk plaatsvinden. Aan de ene kant van de fotokatalysator zorgen de vrijgekomen elektronen ervoor dat watermoleculen worden omgezet in waterstofgas. Aan de andere kant zorgen de 'gaten' ervoor dat andere watermoleculen worden omgezet in zuurstofgas. Om dit efficiënt te laten verlopen, brengen onderzoekers meestal piepkleine hoeveelheden metaal, een zogeheten co-katalysator, aan op het oppervlak, bijvoorbeeld platina of rhodium. Die metalen versnellen de reacties, ongeveer zoals gist het rijzen van brooddeeg versnelt zonder zelf in het brood te verdwijnen.
Belangrijk is de bandgap van het materiaal: de hoeveelheid energie die nodig is om een elektron los te maken. Is de bandgap te groot, dan kan alleen ultraviolet licht (een klein deel van het zonlicht) de reactie starten. Is de bandgap te klein, dan levert het geabsorbeerde licht niet genoeg energie om water daadwerkelijk te splitsen. Veel onderzoek richt zich daarom op het vinden en aanpassen van materialen met precies de juiste bandgap, zodat een zo groot mogelijk deel van het zichtbare zonlicht bruikbaar wordt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het einddoel is goedkope, schone waterstof maken zonder elektriciteit uit het net te hoeven halen. Waterstof is een veelzijdige energiedrager: hij kan worden verbrand of in een brandstofcel worden gebruikt om weer elektriciteit op te wekken, en hij is een belangrijke grondstof voor de chemische industrie, bijvoorbeeld voor kunstmest en staalproductie. Op dit moment wordt verreweg de meeste waterstof nog gemaakt uit aardgas, wat veel CO2-uitstoot met zich meebrengt.
Een alternatief is elektrolyse: water splitsen met elektriciteit uit zonnepanelen of windturbines. Dat werkt, maar kost twee aparte installaties (zonnepanelen én een elektrolyser) met elk hun eigen kosten, onderhoud en omzettingsverliezen. Het idee achter fotokatalytische waterontleding is dat je die twee stappen in één simpel, robuust en goedkoop onderdeel combineert: geen bekabeling, geen dure elektronica, in het ideale geval niet meer dan een oppervlak dat in de zon ligt. Als dat op grote schaal en tegen lage kosten lukt, zou waterstofproductie veel goedkoper kunnen worden dan met de huidige methodes.
Een veelgebruikte maatstaf om systemen te vergelijken is het 'solar-to-hydrogen'-rendement (STH): welk percentage van de zonne-energie die op het systeem valt, uiteindelijk wordt omgezet in de chemische energie van waterstofgas. Onderzoekers en de Amerikaanse overheid noemen vaak een STH-rendement van rond de 10 procent, gedurende langere tijd volgehouden, als drempel waarbij de techniek economisch interessant zou kunnen worden. Dat getal is een richtlijn, geen harde wet, maar het geeft aan hoe ambitieus de doelstelling is.
Voorbeelden uit de praktijk
Het onderzoeksveld bestaat al meer dan vijftig jaar en kent enkele mijlpalen die de richting van het onderzoek hebben bepaald.
Fujishima en Honda, Tokio, 1972. De Japanse onderzoekers Akira Fujishima en Kenichi Honda ontdekten dat een elektrode van titaandioxide (TiO2), onder ultraviolet licht, water kan splitsen. Deze ontdekking, later het Honda-Fujishima-effect genoemd, geldt als het startpunt van het hele onderzoeksveld.
Het 'kunstmatige blad' van Daniel Nocera, 2011. De Amerikaanse scheikundige Daniel Nocera (destijds verbonden aan het MIT) presenteerde in het tijdschrift Science een goedkoop plaatje op basis van een siliciumzonnecel met daarop katalysatoren van kobalt en van nikkel-molybdeen-zink. Zonder externe bedrading kon dit plaatje, ondergedompeld in water en blootgesteld aan zonlicht, waterstof en zuurstof produceren. Het kreeg veel media-aandacht als 'artificial leaf'.
Grootschalig testveld in Japan, Nature, 2021. Een team onder leiding van Kazunari Domen (Universiteit van Tokio) bouwde een testinstallatie van ongeveer honderd vierkante meter met duizenden panelen bedekt met een poederachtige fotokatalysator (onder meer op basis van aluminium-gedoteerd strontiumtitanaat). Het was de eerste demonstratie op deze schaal, met aandacht voor een veilige scheiding van het gevormde waterstof- en zuurstofgas. Het rendement van deze specifieke opstelling was nog bescheiden; het belang van het project lag vooral in het aantonen dat de techniek ook buiten het laboratorium, op praktijkschaal, kan werken.
Joint Center for Artificial Photosynthesis / Liquid Sunlight Alliance, Verenigde Staten, sinds 2010. Met steun van het Amerikaanse ministerie van Energie werken onderzoekers van onder meer Caltech en het Lawrence Berkeley National Laboratory al meer dan tien jaar gezamenlijk aan materialen en complete prototypes voor zonlicht-naar-brandstof-omzetting, met wisselend succes op het gebied van rendement en stabiliteit.
Europese en Nederlandse betrokkenheid. Ook in Europa lopen onderzoeksprogramma's naar opschaling van verwante fotoelektrochemische systemen, met testopstellingen op onder meer onderzoekslocaties in Nederland, gericht op de vraag hoe een labopstelling van enkele centimeters kan uitgroeien tot een systeem van vele vierkante meters dat jarenlang stabiel blijft functioneren.
Hoe ver is de techniek?
Fotokatalytische waterontleding bevindt zich nog stevig in de onderzoeksfase, ondanks de halve eeuw aan studies. Er zijn twee hoofdroutes: goedkope poeder- of paneelsystemen zoals die van Domen, met op dit moment doorgaans een laag rendement (vaak ruim onder de genoemde 10 procent-drempel), en duurdere, hoogwaardige fotoelektrochemische cellen op basis van halfgeleidermaterialen zoals die ook in ruimtevaarttoepassingen worden gebruikt, die in het laboratorium wel rendementen ver boven de 10 procent hebben gehaald, maar (nog) te kostbaar en te kwetsbaar zijn voor grootschalige toepassing.
De belangrijkste obstakels zijn stabiliteit, kosten en veiligheid. Veel veelbelovende materialen corroderen (roesten weg) na dagen tot weken blootstelling aan water en zonlicht, terwijl commerciële toepassing stabiliteit van jaren vereist. Effectieve co-katalysatoren bevatten vaak zeldzame en dure metalen zoals platina of rhodium, wat op grote schaal kostbaar wordt. En omdat waterstof- en zuurstofgas samen een explosief mengsel kunnen vormen, moet elk ontwerp een betrouwbare manier hebben om beide gassen apart op te vangen, wat het systeem ingewikkelder maakt dan het simpele 'plaatje in de zon'-idee doet vermoeden.
Vooruitgang gaat gestaag maar niet spectaculair snel: verbeteringen in rendement en levensduur worden meestal in kleine stappen geboekt, verspreid over vele onderzoeksgroepen wereldwijd. Serieuze, betaalbare commerciële toepassing op grote schaal wordt door de meeste experts nog op zeker tien tot twintig jaar geschat, en sommige onderzoekers betwijfelen of poedergebaseerde systemen ooit economisch kunnen concurreren met elektrolyse gevoed door goedkope zonnestroom.
Wie werken eraan?
Japan heeft van oudsher een sterke positie in dit veld, met de Universiteit van Tokio (onder meer de groep van Kazunari Domen) als een van de toonaangevende onderzoekscentra, mede voortbouwend op het pionierswerk van Fujishima en Honda. Ook Japanse bedrijven zoals Panasonic en Toyota's centrale onderzoekslaboratoria hebben in het verleden onderzoek gedaan naar verwante vormen van kunstmatige fotosynthese.
In de Verenigde Staten coördineert het ministerie van Energie via onderzoekshubs zoals het voormalige Joint Center for Artificial Photosynthesis en de opvolger Liquid Sunlight Alliance het onderzoek van universiteiten als Caltech en Berkeley, in samenwerking met nationale laboratoria zoals het National Renewable Energy Laboratory (NREL).
China investeert eveneens fors in dit veld; onderzoeksgroepen verbonden aan de Chinese Academie van Wetenschappen behoren tot de meest actieve publicerende groepen op het gebied van deeltjes-fotokatalysatoren. In Europa doen universiteiten in onder meer Zwitserland, Duitsland en Nederland (waaronder de TU Delft, met onderzoek naar fotoelektrochemische waterstofproductie) mee aan zowel fundamenteel onderzoek als opschalingsprojecten, vaak met Europese subsidies.