Waterstof produceren met niets anders dan zonlicht en zeewater, terwijl tegelijkertijd een zeer giftige afvalstof verdwijnt. Onderzoekers in Singapore ontwikkelden een ‘kunstmatig blad’ dat beide processen combineert – en daarmee een hardnekkig probleem van waterstofproductie uit zee slim omzeilt.
Onderzoekers van de Nanyang Technological University (NTU) in Singapore hebben een zonnecelachtig systeem ontwikkeld dat twee problemen tegelijk aanpakt. Het apparaat produceert groene waterstof rechtstreeks uit zeewater en breekt tegelijkertijd hydrazine af, een zeer giftige stof die onder meer in industrieel afvalwater kan voorkomen.
Het systeem haalt zijn energie rechtstreeks uit zonlicht en heeft dus geen externe stroombron nodig. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Communications.
Zeewater maakt elektrolyse lastig
Waterstof maken via elektrolyse is in principe eenvoudig: elektrische stroom splitst water in waterstof en zuurstof. Zeewater als grondstof gebruiken is aantrekkelijk omdat daarvoor geen schaars zoetwater nodig is en ontzilting vooraf kan worden vermeden.
Maar zout water brengt een belangrijk probleem mee. Chloride-ionen kunnen concurrerende reacties veroorzaken, waarbij corrosieve en giftige chloorverbindingen ontstaan. Die verminderen niet alleen de efficiëntie, maar kunnen ook elektroden aantasten.
Het NTU-team onder leiding van materiaalwetenschapper Lydia Wong kiest daarom voor een andere chemische route. Aan de anode wordt geen zuurstof gevormd, maar hydrazine afgebroken tot stikstof en waterstof.
Afvalstof verlaagt energieverbruik
Dat levert een opvallende win-winsituatie op. De oxidatie van hydrazine kost minder energie dan de gebruikelijke zuurstofvorming bij elektrolyse. De vervuilende stof fungeert daarmee indirect als hulpmiddel om de productie van waterstof energetisch aantrekkelijker te maken.
De anode bevat een katalysator op basis van ijzer, kobalt en chroom. Deze is bestand tegen corrosie en onderdrukt tegelijkertijd de ongewenste vorming van chloorverbindingen.
Voor de lichtabsorberende kathode gebruiken de onderzoekers loodhalogenide-perovskiet. Een beschermlaag van geleidende epoxy met zilver- en koperdeeltjes en titaniumfolie moet voorkomen dat het gevoelige perovskiet door contact met de omgeving degradeert.
72 uur stabiele waterstofproductie
In tests met zowel kunstmatig als echt zeewater bereikte het systeem een fotostroomdichtheid van 25 mA/cm². Volgens de onderzoekers behoort dat tot de hoogste waarden die voor dit type perovskiet-fotokathode zijn gerapporteerd.
Onder verlichting vergelijkbaar met helder zonlicht bleef het apparaat bovendien meer dan 72 uur stabiel werken. De waterstofproductie bedroeg 466 µmol per vierkante centimeter per uur. Tegelijk daalde de hydrazineconcentratie binnen dertig uur van 0,5 molair tot slechts 0,5 ppb.
Meer dan een kleine waterstofgenerator
Bij conventionele waterstofproductie en afvalwaterzuivering zijn energieproductie en vervuilingsbestrijding afzonderlijke processen. Hier wordt de chemische energie van een ongewenste afvalstof benut om de productie van een waardevolle energiedrager te vergemakkelijken.
De onderzoekers willen het principe daarom uitbreiden naar andere verontreinigingen. Een volgende stap is de ontwikkeling van katalysatoren die verschillende afvalstromen niet alleen kunnen afbreken, maar waar mogelijk ook omzetten in brandstoffen of bruikbare industriële chemicaliën.
Daarmee zou de kunstmatige ‘bladcel’ uiteindelijk meer kunnen worden dan een waterstofgenerator: een zonnegedreven reactor die afvalwater tegelijkertijd als probleem én als grondstof behandelt.
