De inzet van een bipolair membraan stuwt de efficiëntie en stabiliteit van waterstofproductie met niet-schaarse katalysatoren omhoog, zo schreven onderzoekers van de TU Delft en Zwitserse collega’s onlangs in Advanced Energy Materials.

Bij zonnebrandstoffen (solar fuels) draait het om de zo efficiënt mogelijke watersplitsing met hulp van zonlicht. Er zijn al systemen in omloop die de, volgens experts, levensvatbare grens van 10 % overschrijden – het record staat rond de 18 %. Alleen zijn al deze systemen gebaseerd op schaarse materialen en is ook de stabiliteit nogal eens een punt van aandacht. Onderzoekers van de TU Delft en collega’s van de École Polytechnique Fédéral de Lausanne (EPFL) tonen nu aan dat je met een zogenoemd bipolair membraan niet-schaarse katalysatoren wel efficiënt kunt inzetten. Met 12,7 % zon-naar-waterstof (STH) omzettingsrendement voor hun modelsysteem als voorlopige uitkomst.

Voor een optimale elektrolyse – en daarmee de efficiëntste waterontleding op lange termijn – wil je beschikken over een sterk zuur aan de kathodekant en een sterke base aan de anodekant. Een bipolair membraan (BPM) zorgt er in het werk van de Nederlanders en Zwitsers nu voor dat beide halfreacties die tot waterstofproductie leiden elk in een eigen compartiment kunnen plaatsvinden. Daardoor kun je de katalysator/elektrolyt-combinaties dus optimaal op elkaar afstemmen zonder je druk te hoeven maken om de omgeving van de tegenelektrode. Eigenlijk legden David Vermaas en Wilson Smith, beide TU Delft, vorig jaar al de basis voor deze manier van water splitsen in hun publicatie in Journal of Materials Chemistry A. Daarin demonstreerden zij, naar eigen zeggen voor het eerst, het nut van een BPM bij waterstofsplitsing.

Een bipolair membraan bestaat uit een cation exchange layer (CEL) die selectief is voor kationen en een anion exchange layer (AEL) die selectief is voor hun negatieve broertjes (zie illustratie A). Deze opzet resulteert in dissociatie van het aangevoerde water in respectievelijk H+-ionen (CEL) en OH‑-ionen (AEL). In een zonnebrandstofsysteem (zie illustratie B) creëert dit een respectievelijk zure en basische omgeving, waarin aan de kathode waterstof wordt gevormd en aan de anode zuurstof. Het aangelegde voltage houdt de watersplitsing op gang en zorgt voor het behoud van het pH-verschil tussen beide kanten.

Het totaalsysteem van de Delftenaren en Zwitsers bestaat uit perovskiet-zonnecellen, en kobaltfosfide als kathode en NiFe layered double hydroxide (LDH) als anode – beide niet-schaarse katalysatoren. Het bipolair membraan scheidt de kathode en anode van elkaar en daarmee ook de compartimenten gevuld met respectievelijk 0.5 M H2SO4 en 1 M KOH (zie afbeelding). Daarmee loopt de pH in dit systeem uiteen tussen 0,4 en 13,9 respectievelijk. De stroomdichtheid van deze combinatie haalde 10.35 mA cm-2, wat overeenkomt met 12,7 % STH omzettingsrendement. Na 16 uur was dit afgenomen tot 7.35 mA cm-2, of te wel 9 % STH omzettingsrendement.

Deze efficiëntie behaalden de Delftse en Zwitserse onderzoekers ook, voor de PV-liefhebbers, door de perovskietcellen te optimaliseren. In plaats van puur MAPbI3 gebruikten de onderzoekers een mix van MAPbBr3 en FAPbI3, vanwege de kleinere bandkloof van FAPbI3 in tegenstelling tot MAPbI3 (kortom MAPbBr3-gestabiliseerd FAPbI3) – dit leidt tot een grotere range aan golflengtes waarover de zonnecel zonlicht kan opvangen.

Uiteindelijk moet de inzet van niet-schaarse materialen, in dit geval met name de katalysatoren, er toe bijdragen dat zonnebrandstofsystemen in de toekomst niet alleen goed opschaalbaar zijn, maar ook betaalbaar.

Bron: TU Delft, Journal of Materials Chemistry A, Advanced Energy Materials.