Onderzoekers van de Nanyang Technological University hebben een op zonne-energie werkend kunstmatig blad ontwikkeld dat waterstof produceert uit zeewater en tegelijkertijd hydrazine afbreekt, een giftige verontreinigende stof die voorkomt in industrieel afvalwater.
Een team van de Nanyang Technological University (NTU) in Singapore heeft een kunstmatig blad gepresenteerd dat waterstof uit zeewater produceert met behulp van alleen zonlicht. Het apparaat breekt ook hydrazine af, een zeer giftige chemische stof die in sommige industriële afvalwaterstromen voorkomt. Zo worden schone brandstofproductie en milieusanering in één stap aangepakt.
De onderzoekers publiceerden hun werk in Nature Communications . Professor Lydia H. Wong van de School of Materials Science and Engineering van NTU leidde het team.
Waarom zeewater hard is
De meeste elektrolysers splitsen vers, gezuiverd water. Zeewater is veel overvloediger, maar het zoutgehalte ervan veroorzaakt problemen. Wanneer er een elektrische stroom doorheen loopt, hebben chloride-ionen de neiging om chloorverbindingen te vormen die corrosief en giftig zijn.
Die stoffen tasten de elektroden aan en creëren zo een eigen afvalprobleem. Daardoor is voor de productie van waterstof uit zeewater meestal eerst een dure ontzilting nodig, of elektroden die bestand zijn tegen corrosie.
De zoetwatervoorziening is nu al een probleem voor geplande waterstofhubs in droge kustgebieden, waaronder delen van Australië, het Midden-Oosten en Noord-Afrika. Het rechtstreeks gebruiken van zeewater zou die druk verlichten. Het zou ook geschikt zijn voor eilandstaten zoals Singapore, die weliswaar een nationale waterstofstrategie hebben, maar over beperkte zoetwatervoorraden beschikken.
Het NTU-ontwerp omzeilt veel van deze problemen. Het team heeft de anode voorzien van een katalysator die hydrazine afbreekt tot waterstof en stikstof. Tegelijkertijd onderdrukt de reactie de vorming van chloorverbindingen.
Een perovskietkathode
Aan de andere kant van het apparaat bouwden de onderzoekers de kathode van loodhalide-perovskieten. Deze kristallijne materialen absorberen licht goed en zetten het goedkoop om in elektriciteit. Ze hebben de afgelopen tien jaar enorm veel belangstelling gewekt in zonne-energieonderzoek. Fabrikanten kunnen ze bovendien bij lage temperaturen vanuit een oplossing verwerken, wat de kosten laag houdt.
De perovskiet-fotokathode bereikte hier een fotostroomdichtheid van 25 milliampère per vierkante centimeter. De fotostroomdichtheid meet hoeveel stroom het apparaat produceert per verlicht oppervlak. Volgens het team is dit een van de hoogste waarden die ooit zijn gemeten voor loodhoudende perovskiet-kathodes.
Het apparaat behield bovendien een stabiele output gedurende meer dan 72 uur onder lichtomstandigheden die overeenkomen met vol zonlicht op een heldere dag. Tegelijkertijd produceerde het waterstof met een snelheid die vergelijkbaar is met die van soortgelijke apparaten op zonne-energie.
Reinigt water tijdens het werk
Omdat het blad zonder externe spanning werkt, is het zelfvoorzienend. Simpel gezegd, zonlicht alleen drijft beide reacties aan, zonder dat er elektriciteit van het net of een batterij wordt afgenomen. In tests werd hydrazine binnen ongeveer 30 uur afgebroken tot minder dan één deel per miljard. Het apparaat verwijderde in feite bijna alle verontreinigende stof uit de testoplossing.
Hydrazine wordt gebruikt in industriële processen, waaronder de chemische industrie, en als raketbrandstof. Het is giftig voor mens en waterleven, dus afvalwater dat het bevat, moet zorgvuldig worden behandeld. Een apparaat dat het verwijdert tijdens de brandstofproductie zou de afvalverwerkingskosten kunnen omzetten in een kleine bron van waarde.
De onderzoekers achter de innovatie. Van links: Dr. Stener Lie, Dr. Anupam Sadhu, Prof Lydia H. Wong en Dr. Hao Zhe Chun van NTU's School of Materials Science and Engineering. Krediet: NTU Singapore
Obstakels vóór opschaling
De resultaten zijn op laboratoriumschaal, en er blijven nog diverse belangrijke vragen onbeantwoord. Perovskieten hebben een bekende zwakte: ze degraderen bij blootstelling aan vocht, hitte en langdurig licht. Drie dagen stabiele werking is een sterk resultaat voor deze materiaalklasse, hoewel commerciële systemen jarenlang moeten functioneren.
Het gebruik van lood roept ook vragen op voor elk apparaat dat bedoeld is om in water te staan. Ingenieurs zouden moeten aantonen dat het materiaal gedurende lange perioden waterdicht blijft. Bovendien gaat de efficiëntie doorgaans achteruit wanneer kleine laboratoriumcellen worden opgeschaald naar grote panelen.
Desondanks draagt dit onderzoek bij aan een groeiend aantal benaderingen voor de directe productie van waterstof met behulp van zonne-energie, waaronder gelaagde zonnecellen die de watersplitsing versnellen . Voor industriële locaties aan de kust is de combinatie van waterstofproductie uit zeewater en de zuivering van vervuild water een aantrekkelijke oplossing. De volgende stap is om aan te tonen dat het concept ook in de praktijk, buiten het laboratorium, werkt.
