Groene waterstof maken met alleen water en zonlicht: een nieuw materiaal uit Oregon brengt dat scenario een stap dichterbij en kan tegelijk de productiekosten drukken.
Onderzoekers van Oregon State University hebben een nieuwe klasse fotokatalytische materialen ontwikkeld die waterstof rechtstreeks uit water en zonlicht kan produceren. Het opvallende element: de chemische reactie draait grotendeels op zwavelhoudende organische bouwstenen, waardoor geen extra dure metaal-co-katalysator nodig is. Dat kan zonne-waterstof op termijn eenvoudiger en goedkoper maken.
Rechtstreeks van zonlicht naar waterstof
Groene waterstof wordt vandaag meestal gemaakt via elektrolyse: elektriciteit uit bijvoorbeeld wind- of zonneparken splitst water in waterstof en zuurstof. Dat werkt, maar vereist elektrolysers, vermogenselektronica en voldoende goedkope duurzame stroom.
Fotokatalyse slaat een tussenstap over. Een lichtgevoelig materiaal absorbeert zonlicht en gebruikt die energie rechtstreeks om chemische reacties in gang te zetten. In theorie kan dat leiden tot compactere systemen en lagere kosten.
De Amerikaanse onderzoekers gebruikten daarvoor een zogeheten metal-organic framework, of MOF. Dat zijn poreuze kristallijne materialen waarin metaalionen gekoppeld zijn aan organische moleculen. Hun materiaal, BVR-19, bevat de aminozuurverbinding L-cystine met karakteristieke zwavel-zwavelbindingen.
Zwavel doet het zware werk
Bij blootstelling aan licht worden de S-S-bindingen in BVR-19 tijdelijk verbroken. Daarbij ontstaan zeer reactieve zwaveldeeltjes die elektronen beter van elkaar gescheiden houden en ze beschikbaar maken voor de vorming van waterstof.
Vooral de variant BVR-19-Zn, met zinkionen, bleek effectief. Volgens de onderzoekers komt dat doordat de elektronische structuur van zink goed samenwerkt met de redoxactieve zwavelverbinding. Varianten met onder meer mangaan en koper presteerden slechter doordat elektronen daar sneller opnieuw combineren.
Belangrijk is dat het materiaal daardoor geen afzonderlijke kostbare metaal-co-katalysator nodig heeft. Bovendien kan BVR-19 volgens Oregon State onder milde omstandigheden en rond kamertemperatuur worden geproduceerd. Dat is interessant wanneer productie ooit naar grotere schaal moet.
Nog geen concurrent voor elektrolysers
Dat betekent niet dat zonne-waterstof op basis van MOF’s morgen elektrolysers vervangt. Voor commerciële toepassing moeten onder meer levensduur, productievolume, omzettingsrendement en de kost per kilogram waterstof nog in realistische installaties worden bewezen.
De belangrijkste opbrengst van het onderzoek is daarom misschien niet één nieuw materiaal, maar een ontwerpprincipe. Door de organische component van een MOF actief te laten deelnemen aan het transport van elektronen, kunnen onderzoekers nieuwe fotokatalysatoren ontwerpen waarin dure metalen een kleinere rol spelen.
De studie verscheen recent in het Journal of the American Chemical Society. Oregon State University heeft inmiddels patent aangevraagd op BVR-19 en verwante materialen.
