Nieuwe fotokatalysator kan efficiëntere waterstofproductie mogelijk maken

Aerogels zijn buitengewone materialen die meer dan twaalf keer Guinness World Records hebben gevestigd, waaronder als ’s werelds lichtste vaste stoffen.

Professor Markus Niederberger van het Laboratorium voor Multifunctionele Materialen van de ETH Zürich werkt al geruime tijd met deze bijzondere materialen. Zijn laboratorium is gespecialiseerd in aerogels die zijn samengesteld uit kristallijne halfgeleider nanodeeltjes. “Wij zijn de enige groep ter wereld die dit soort aerogel van zo’n hoge kwaliteit kan produceren”, zegt hij.

Een gebruik voor aerogels op basis van nanodeeltjes is als fotokatalysatoren. Deze worden toegepast wanneer een chemische reactie met behulp van zonlicht moet worden geactiveerd of versneld, bijvoorbeeld de productie van waterstof.

Het materiaal bij uitstek voor fotokatalysatoren is titaandioxide (TiO₂), een halfgeleider. Maar TiO₂ heeft een groot nadeel: het kan alleen het UV-gedeelte van zonlicht absorberen – ongeveer 5 procent van het spectrum. Als fotokatalyse efficiënt en industrieel bruikbaar wil zijn, moet de katalysator een breder bereik aan golflengten kunnen gebruiken.

Verbreding van het spectrum met stikstofdoping

Daarom is Niederbergers promovendus Junggou Kwon op zoek gegaan naar een nieuwe manier om een ​​aerogel van TiO te optimaliseren₂ nanodeeltjes. En ze had een briljant idee: als de TiO₂ nanodeeltjes aerogel is “gedoteerd” (om de technische term te gebruiken) met stikstof, zodat individuele zuurstofatomen in het materiaal worden vervangen door stikstofatomen, de aerogel kan dan verdere zichtbare delen van het spectrum absorberen. Het dopingproces laat de poreuze structuur van de aerogel intact. De studie over deze methode is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Toegepaste materialen en interfaces.

Kwon produceerde eerst de aerogel met behulp van TiO₂ nanodeeltjes en kleine hoeveelheden van het edelmetaal palladium, dat een sleutelrol speelt bij de fotokatalytische productie van waterstof. Ze plaatste de aerogel vervolgens in een reactor en doordrenkte deze met ammoniakgas. Hierdoor nestelden individuele stikstofatomen zich in de kristalstructuur van het TiO₂ nanodeeltjes.

Gemodificeerde aerogel maakt de reactie efficiënter

Om te testen of een op deze manier gemodificeerde aerogel de efficiëntie van een gewenste chemische reactie, in dit geval de productie van waterstof uit methanol en water, daadwerkelijk verhoogt, ontwikkelde Kwon een speciale reactor waarin ze de aerogelmonoliet direct plaatste. Vervolgens bracht ze een damp van water en methanol in de aerogel in de reactor voordat ze deze bestraalde met twee LED-lampen. Het gasvormige mengsel diffundeert door de poriën van de aerogel, waar het wordt omgezet in de gewenste waterstof op het oppervlak van de TiO₂ en palladium nanodeeltjes.

Kwon stopte het experiment na vijf dagen, maar tot dat moment was de reactie stabiel en verliep continu in het testsysteem. “Het proces zou waarschijnlijk langer stabiel zijn geweest”, zegt Niederberger. “Zeker bij industriële toepassingen is het belangrijk dat deze zo lang mogelijk stabiel blijft.” De onderzoekers waren ook tevreden met de resultaten van de reactie. Het toevoegen van het edelmetaal palladium verhoogde de conversie-efficiëntie aanzienlijk: het gebruik van aerogels met palladium produceerde tot 70 keer meer waterstof dan het gebruik van die zonder.

Verhogen van de gasstroom

Dit experiment diende de onderzoekers vooral als een haalbaarheidsstudie. Als een nieuwe klasse van fotokatalysatoren bieden aerogels een uitzonderlijke driedimensionale structuur en bieden ze naast waterstofproductie potentieel voor vele andere interessante gasfasereacties. Vergeleken met de tegenwoordig gebruikelijke elektrolyse hebben fotokatalysatoren het voordeel dat ze kunnen worden gebruikt om waterstof te produceren met alleen licht in plaats van elektriciteit.

Of de door de groep van Niederberger ontwikkelde aerogel ooit op grote schaal zal worden gebruikt, is nog onzeker. Zo is er nog de vraag hoe de gasstroom door de aerogel te versnellen; op dit moment belemmeren de extreem kleine poriën de gasstroom te veel. “Om zo’n systeem op industriële schaal te laten werken, moeten we eerst de gasstroom vergroten en ook de bestraling van de aerogels verbeteren”, zegt Niederberger. Hij en zijn groep werken al aan deze kwesties.

Aerogels zijn uitzonderlijke materialen. Ze zijn extreem licht en poreus en hebben een enorm oppervlak: één gram van het materiaal kan een oppervlak hebben van wel 1.200 vierkante meter. Vanwege hun transparantie hebben aerogels het uiterlijk van “bevroren rook”. Het zijn uitstekende thermische isolatoren en worden daarom gebruikt in ruimtevaarttoepassingen en in toenemende mate ook in de thermische isolatie van gebouwen. De vervaardiging ervan vereist echter nog steeds een enorme hoeveelheid energie, dus de materialen zijn duur. De eerste aerogel werd in 1931 door de scheikundige Samuel Kistler uit silica gemaakt.