Doorbraak: Efficiënte zonne-waterstof zonder schaarse platina

Een onderzoeksdoorbraak opent de weg naar efficiënte waterstofproductie uit zonne-energie zonder gebruik van het schaarse metaal platina. In een reactor in een scheikundelaboratorium aan de Chalmers University of Technology in Zweden zijn met het blote oog eenvoudig waterstofgasbelletjes te zien terwijl ze ontstaan. Een teken dat fotokatalyse efficiënt verloopt.

Een onderzoeksteam onder leiding van de Chalmers University of Technology (Zweden) heeft een nieuwe methode gepresenteerd om waterstofgas te produceren zonder het schaarse en dure metaal platina. Met behulp van zonlicht, water en zeer kleine deeltjes van elektrisch geleidend kunststof laten de onderzoekers zien hoe waterstof efficiënt, duurzaam en tegen lage kosten kan worden geproduceerd.

Waterstof speelt een sleutelrol in de wereldwijde zoektocht naar hernieuwbare energie. Hoewel het gebruik ervan uitsluitend water als bijproduct oplevert, bestaan er nog aanzienlijke uitdagingen voordat waterstof zowel op grote schaal als milieuvriendelijk kan worden geproduceerd.

Platina is schaars

Een belangrijk knelpunt is het gebruik van het metaal platina als co-katalysator wanneer zonlicht en water worden ingezet om waterstof te produceren. De aardse voorraden platina zijn beperkt en de winning gaat gepaard met risico’s voor zowel het milieu als de menselijke gezondheid. Bovendien is de productie geconcentreerd in slechts enkele landen, zoals Zuid-Afrika en Rusland.

In een nieuwe studie, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Materials, laat een onderzoeksteam onder leiding van professor Ergang Wang van Chalmers zien hoe zonne-energie kan worden gebruikt om waterstofgas efficiënt te produceren, volledig zonder platina.

Het proces, zo legt Chalmers-onderzoeker Alexandre Holmes uit, maakt gebruik van hoeveelheden zeer kleine deeltjes van elektrisch geleidend kunststof. Onder water interageren deze deeltjes zowel met zonlicht als met hun omgeving.

“Het ontwikkelen van efficiënte fotokatalysatoren zonder platina is al lange tijd een droom binnen dit vakgebied. Door geavanceerd materiaalontwerp toe te passen op onze geleidende kunststofdeeltjes, kunnen we waterstof efficiënt en duurzaam produceren zonder platina – tegen radicaal lagere kosten, en met prestaties die zelfs die van platina-gebaseerde systemen kunnen overtreffen,” aldus Holmes, die samen met Jingwen Pan uit de onderzoeksgroep van Jiefang Zhu aan de Universiteit van Uppsala gezamenlijk eerste auteur is van het artikel.

Waterangst overwonnen: sleutel tot het succes

Pogingen om het platina-knelpunt te doorbreken lopen al enkele jaren binnen de onderzoeksgroep van Wang aan Chalmers.

De sleutel tot de nieuwe aanpak ligt in geavanceerd materiaalontwerp van het elektrisch geleidende kunststof dat in het proces wordt gebruikt. Dit type kunststof, bekend als geconjugeerde polymeren, absorbeert licht zeer efficiënt, maar is doorgaans minder goed compatibel met water.

Door de materiaaleigenschappen op moleculair niveau aan te passen, maakten de onderzoekers het materiaal veel beter watercompatibel.

“We hebben bovendien een manier ontwikkeld om het kunststof te vormen tot nanodeeltjes die de interacties met water versterken en het licht-naar-waterstofproces stimuleren. De verbetering komt door losser verpakte, meer hydrofiele polymeerketens binnen de deeltjes,” zegt Holmes.

In de reactor in het scheikundelaboratorium van Chalmers zijn de waterstofgasbelletjes die ontstaan met het blote oog goed zichtbaar, een duidelijk bewijs dat de fotokatalyse efficiënt verloopt.

Wanneer een lamp met gesimuleerd zonlicht wordt gericht op een bekerglas met water waarin de nanodeeltjes zich bevinden, beginnen vrijwel onmiddellijk kleine belletjes waterstofgas te ontstaan en door het water omhoog te stijgen. De belletjes worden opgevangen en via buisjes naar een opslagcontainer geleid, waarbij de geproduceerde hoeveelheid gas in real time kan worden gemeten.

“Met slechts één gram van het polymeermateriaal kunnen we in één uur 30 liter waterstof produceren,” aldus Holmes.

Daarnaast laat een recent gepubliceerde doorbraak van collega-onderzoekers aan Chalmers zien dat het elektrisch geleidende kunststof ook kan worden geproduceerd zonder het gebruik van schadelijke chemicaliën en op een veel kosteneffectievere manier.

Nog een dure hulpstof vermijden: vitamine C

De volgende grote stap voor de onderzoeksgroep van Wang is om het waterstofproces te laten werken met uitsluitend zonlicht en water, zonder toegevoegde hulpstoffen.

Momenteel gebruiken zij vitamine C, dat fungeert als een zogenoemde sacrificiële antioxidant. Door elektronen af te staan voorkomt deze stof dat de reactie stilvalt, wat in het laboratorium kan leiden tot hoge waterstofproductiesnelheden.

Om werkelijk duurzame zonne-waterstof te realiseren, zo legt professor Wang uit, is het doel om watermoleculen gelijktijdig te splitsen in waterstof en zuurstof, met zonlicht en water als enige inputs.

“Het elimineren van platina uit dit systeem is een belangrijke stap richting duurzame waterstofproductie voor de samenleving. Nu beginnen we materialen en strategieën te verkennen die gericht zijn op volledige watersplitsing zonder additieven. Dat zal nog enkele jaren vergen, maar we geloven dat we op de juiste weg zijn,” zegt onderzoeksleider Ergang Wang, hoogleraar aan de afdeling Chemie en Chemische Technologie van Chalmers.