Een internationaal team heeft een nieuwe methode ontwikkeld voor het maken van schaalbare fotoanodes met behulp van goedkope materialen voor de productie van waterstof op zonne-energie, meldt ChemSusChem.
De productie van waterstof als hernieuwbare brandstof is een belangrijk onderdeel van de energietransitie. Als je hernieuwbare energie gebruikt om waterstof te produceren door waterontleding, heet dat ‘groene waterstof’, maar een specifieke subset hiervan heet ‘gouden waterstof’: zonlicht gebruiken bij foto-elektrochemische (PEC) waterontleding om waterstof en zuurstof te produceren. Er bestaan al foto-elektrodes die dit kunnen, maar hun efficiëntie daalt dramatisch als je ze opschaalt. Daarom hebben Pramod Kunturu, Marek Lavorenti en collega’s van DIFFER, TU Eindhoven en Toyota Motor Europe een schaalbare methode ontwikkeld om de fotoanode te fabriceren die 90% van zijn efficiëntie behoudt bij opschaling.
Om water te ontleden heb je twee elektroden nodig, een anode en een kathode. Waterstof wordt geproduceerd aan de kathode, terwijl zuurstof wordt geproduceerd aan de anode. Pramod Kunturu, postdoc bij DIFFER, benadrukt dat ‘we geen nieuw fotoanode-materiaal voor zuurstofproductie hebben gemaakt. Het is een bekend halfgeleidermateriaal dat al wordt gebruikt voor de zuurstofevolutiereactie bij waterontleding. We hebben gekeken naar de productiemethode en wat we konden doen om de prestaties te verbeteren.’
De groep richtte zich op BiVO4. ‘Het is lichtactief, wat betekent dat het een spanning genereert wanneer je het blootstelt aan zonlicht’, zegt Kunturu. Dit betekent dat je geen externe energiebron nodig hebt om de reacties aan te sturen. ‘We wilden echter ook de prestaties van BiVO4 verbeteren, dus hebben we BiVO4 gedoteerd met boor en een NiFeOOH-katalysator toegevoegd, die net als BiVO4 zelf goedkoop en overvloedig aanwezig zijn.’
De onderzoekers gebruikten een methode die ze SILAR noemen: successive-ionic-layer-adsorption-and-reaction. Kunturu legt uit: ‘Het is een oplossingsmethode waarbij je je apparaat in één oplossing doopt en vervolgens in een andere om BiVO4 te maken. Hoe lang je het onderdompelt en op welke manier hebben beiden invloed op de eigenschappen. Het was een hele uitdaging; op labschaal, zeg 1 cm2, werk je met eenvoudige apparatuur, maar een plaat van 100 cm2 maken is heel wat anders! Maar uiteindelijk is het ons gelukt om een uniforme coating te krijgen.’
Maar 100 cm2 is niet de bovengrens. Kunturu bevestigt dat ze hun fotoanode op meterschaal kunnen produceren. ‘Het is voor het eerst dat het mogelijk is om een poreus materiaal als substraat te gebruiken en deze prestaties op deze grotere schaal te bereiken. Maar dit is pas het begin.’ Hetzelfde geldt voor de gerapporteerde efficiëntie. ‘Voor foto-elektrochemische waterontleding hebben we een industrieel doel van 10% rendement van zon naar waterstof’, zegt Kunturu. ‘Hoewel de 2,2% efficiëntie die we hebben bereikt op dit moment misschien niet veel lijkt, is het huidige werk aan PEC-apparaten op grotere schaal [100 cm2, red.] veelbelovend en kan het uiteindelijk een grote sprong voorwaarts betekenen in de PEC-technologie voor de productie van waterstof uit zonlicht.’
Kunturu, P.P. et al. (2023) ChemSusChem e202300969, DOI: 10.1002/cssc.202300969
Nog geen opmerkingen