Een nieuwe technologie kan waterstof uit zonlicht maken en doet dat efficiënter dan ooit. Het nieuwe apparaat combineert de nieuwste halogeen perovskiet halfgeleiders met elektrokatalysatoren in één duurzame, kosteneffectieve en schaalbare constructie.
De nieuwe technologie is een belangrijke stap voorwaarts voor schone energie. Ze kan gebruikt worden voor een breed scala aan chemische reacties die zonnestroom gebruiken om grondstoffen om te zetten in brandstoffen.
Het laboratorium van chemisch en biomoleculair ingenieur Aditya Mohite van Rice University bouwde de geïntegreerde fotoreactor met behulp van een anticorrosiebarrière die de halfgeleider isoleert van water zonder de overdracht van elektronen te belemmeren. Volgens een onderzoek gepubliceerd in Nature Communications behaalde het apparaat een omzettingsefficiëntie van 20,8% van zonlicht naar waterstof.
"Het gebruik van zonlicht als energiebron voor de productie van chemicaliën is een van de grootste hindernissen voor een schone energie-economie", zegt Austin Fehr, doctoraalstudent chemische en biomoleculaire technologie en een van de hoofdauteurs van het onderzoek. "Ons doel is om economisch haalbare platforms te bouwen die van zonne-energie afgeleide brandstoffen kunnen genereren. Hier hebben we een systeem ontworpen dat licht absorbeert en elektrochemisch water splitst."
Waterstof uit zonlicht met een foto-elektrochemische cel
Het apparaat staat bekend als een foto-elektrochemische cel omdat de absorptie van licht, de omzetting ervan in elektriciteit en het gebruik van de elektriciteit om een chemische reactie aan te drijven allemaal in hetzelfde apparaat plaatsvinden. Tot nu toe werd het gebruik van foto-elektrochemische technologie om groene waterstof te produceren belemmerd door een lage efficiëntie en de hoge kosten van halfgeleiders.
"Alle apparaten van dit type produceren groene waterstof door alleen zonlicht en water te gebruiken, maar het onze is uitzonderlijk omdat het een recordrendement heeft en een halfgeleider gebruikt die erg goedkoop is," zei Fehr.
Het Mohite lab en zijn medewerkers creëerden het apparaat door hun zeer concurrerende zonnecel om te zetten in een reactor die geoogste energie kon gebruiken om water te splitsen in zuurstof en waterstof. De uitdaging die ze moesten overwinnen was dat halogenide perovskieten extreem onstabiel zijn in water en dat coatings die werden gebruikt om de halfgeleiders te isoleren uiteindelijk hun functie verstoorden of ze beschadigden.
"De afgelopen twee jaar hebben we van alles gedaan om verschillende materialen en technieken uit te proberen," zei Michael Wong, scheikundig ingenieur bij Rice en co-auteur van het onderzoek.
Na langdurige tests die niet het gewenste resultaat opleverden, vonden de onderzoekers uiteindelijk een winnende oplossing.
"Ons belangrijkste inzicht was dat je twee lagen nodig had voor de barrière, één om het water tegen te houden en één om goed elektrisch contact te maken tussen de perovskietlagen en de beschermende laag," zei Fehr. "Onze resultaten bereiken de hoogste efficiëntie voor foto-elektrochemische cellen zonder zonneconcentratie, en de beste voor alle cellen die halogenide perovskiet halfgeleiders gebruiken.
"Het is een primeur voor een gebied dat van oudsher gedomineerd werd door onbetaalbaar dure halfgeleiders, en het kan voor het eerst een weg naar commerciële haalbaarheid voor dit type apparaat zijn," zei Fehr.
Veelzijdige toepassingen
De onderzoekers toonden aan dat hun barrièreontwerp werkte voor verschillende reacties en met verschillende halfgeleiders, waardoor het toepasbaar is in veel systemen.
"We hopen dat dergelijke systemen als platform zullen dienen om een breed scala aan elektronen naar brandstofvormende reacties te sturen met behulp van overvloedige grondstoffen en met alleen zonlicht als energie-input," zei Mohite.
"Met verdere verbeteringen op het gebied van stabiliteit en schaal, zou deze technologie de waterstofeconomie kunnen openen en de manier waarop mensen dingen maken kunnen veranderen van fossiele brandstof naar zonnebrandstof," voegde Fehr eraan toe.
Afgestudeerde studenten Ayush Agrawal en Faiz Mandani van Rice zijn samen met Fehr hoofdauteurs van het onderzoek. Het werk is ook mede mogelijk gemaakt door het National Renewable Energy Laboratory, dat wordt beheerd door Alliance for Sustainable Energy LLC voor het Ministerie van Energie onder contract DE-AC36-08GO28308.
Mohite is universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire techniek en faculteitsdirecteur van het Rice Engineering Initiative for Energy Transition and Sustainability, ofwel REINVENTS. Wong is de Tina and Sunit Patel Professor in Molecular Nanotechnology, voorzitter en hoogleraar chemische en biomoleculaire techniek, en hoogleraar chemie, materiaalkunde en nanotechnologie, evenals civiele en milieutechniek.
Lees meer over waterstof op Duurzaamnieuws.nl
Afbeelding: Een fotoreactor ontwikkeld door de Mohite onderzoeksgroep van Rice University en medewerkers behaalde een omzettingsefficiëntie van 20,8% van zonne-energie naar waterstof. (Foto door Gustavo Raskoksy/Rice University)
