Nieuw poreus materiaal dat veelbelovend is voor het maken van hernieuwbare energie uit water

Een mogelijke bron van hernieuwbare energie is waterstofgas dat met behulp van zonlicht uit water wordt gewonnen. Onderzoekers van de Universiteit van Linköping, Zweden, hebben een materiaal ontwikkeld, nanoporeus kubisch siliciumcarbide, dat veelbelovende eigenschappen vertoont om zonne-energie op te vangen en water te splitsen voor de productie van waterstofgas. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano​

“Er zijn nieuwe duurzame energiesystemen nodig om het hoofd te bieden aan wereldwijde energie- en milieu-uitdagingen, zoals de toenemende uitstoot van kooldioxide en klimaatverandering”, zegt Jianwu Sun, hoofddocent bij de afdeling Fysica, Scheikunde en Biologie aan de Universiteit van Linköping, die het nieuwe studie.

Waterstof heeft een energiedichtheid die drie keer zo groot is als die van benzine. Het kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken met behulp van een brandstofcel, en auto’s op waterstof zijn al in de handel verkrijgbaar. Wanneer waterstofgas wordt gebruikt om energie te produceren, is het enige gevormde product zuiver water. Daarentegen ontstaat koolstofdioxide wanneer de waterstof wordt geproduceerd, aangezien de meest gebruikte technologie die tegenwoordig wordt gebruikt, afhankelijk is van fossiele brandstoffen voor het proces. Zo wordt 9-12 ton kooldioxide uitgestoten wanneer 1 ton waterstofgas wordt geproduceerd.

Het produceren van waterstofgas door watermoleculen te splitsen met behulp van zonne-energie is een duurzame benadering waarbij waterstofgas kan worden geproduceerd met behulp van hernieuwbare bronnen zonder dat dit leidt tot uitstoot van kooldioxide. Een groot voordeel van deze methode is de mogelijkheid om zonne-energie om te zetten in brandstof die kan worden opgeslagen.

“Conventionele zonnecellen produceren overdag energie en die moet ofwel direct worden gebruikt, ofwel worden opgeslagen in bijvoorbeeld batterijen. Waterstof is een veelbelovende energiebron die op dezelfde manier kan worden opgeslagen en getransporteerd als traditionele brandstoffen zoals benzine en diesel ”, zegt Jianwu Sun.

Het is echter geen gemakkelijke taak om met de energie uit zonlicht water te splitsen tot waterstofgas. Om dit te laten slagen, is het nodig om kostenefficiënte materialen te vinden die de juiste eigenschappen hebben voor de reactie waarin water (H2O) wordt gesplitst in waterstof (H2) en zuurstof (O2) door middel van foto-elektrolyse. De energie in zonlicht die kan worden gebruikt om water te splitsen, is meestal in de vorm van ultraviolette straling en zichtbaar licht. Daarom is een materiaal nodig dat dergelijke straling efficiënt kan absorberen om ladingen te creëren die kunnen worden gescheiden en voldoende energie hebben om de watermoleculen te splitsen in waterstof- en zuurstofgassen. De meeste materialen die tot nu toe zijn onderzocht, zijn ofwel inefficiënt in de manier waarop ze de energie van zichtbaar zonlicht gebruiken (titaniumdioxide, TiO2 absorbeert bijvoorbeeld alleen ultraviolet zonlicht), of hebben niet de eigenschappen die nodig zijn om water te splitsen in waterstofgas ( bijvoorbeeld silicium, Si).

De onderzoeksgroep van Jianwu Sun heeft onderzoek gedaan naar kubisch siliciumcarbide, 3C-SiC. De wetenschappers hebben een vorm van kubisch siliciumcarbide geproduceerd met veel extreem kleine poriën. Het materiaal, dat ze nanoporeus 3C-SiC noemen, heeft veelbelovende eigenschappen die suggereren dat het kan worden gebruikt om waterstofgas uit water te produceren met behulp van zonlicht. De huidige studie is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano, en daarin laten de onderzoekers zien dat dit nieuwe poreuze materiaal op efficiënte wijze ultraviolet en het meeste zichtbare zonlicht kan opvangen en oogsten. Bovendien bevordert de poreuze structuur de scheiding van ladingen die de benodigde energie hebben, terwijl de kleine poriën een groter actief oppervlak geven. Dit verbetert de ladingsoverdracht en vergroot het aantal reactieplaatsen, waardoor de efficiëntie van de watersplitsing verder wordt verhoogd.

“Het belangrijkste resultaat dat we hebben laten zien is dat nanoporeus kubisch siliciumcarbide een hogere efficiëntie van ladingsscheiding heeft, waardoor de splitsing van water in waterstof veel beter is dan bij het gebruik van vlak siliciumcarbide”, zegt Jianwu Sun.