12/04/2017
Door Ad Spijkers
Waterstof lijkt de energiedrager van de toekomst, maar bij de productie kunnen broeikasgassen vrijkomen. Onderzoekers aan de Universität Ulm werken aan een milieuvriendelijker methode voor waterstofproductie.
Waterstof is door zijn hoge energiedichtheid een uitstekend opslagmiddel voor energie. Voertuigen met brandstofcellen gelden als serieus alternatief voor auto's op batterijen. Weliswaar is water het enige bijproduct, maar bij de productie van waterstof ontstaan mogelijk broeikasgassen.
Een milieuvriendelijk alternatief is fotokatalytische scheiding van water. Voor grootschalige toepassing moet deze methode echter nog sterk worden verbeterd.
Fotokatalyse
Een interdisciplinaire groep aan de Universität Ulm werkt aan de milieuvriendelijke productie van waterstof met behulp van fotokatalyse. Bij deze vorm van kunstmatige fotosynthese wordt water met behulp van zonne-energie gesplitst in zijn bestanddelen waterstof en zuurstof.
Een speciaal metaalcomplex (de onderzoekers gebruiken ruthenium) vangt het licht op. Het ruthenium geeft daarop een elektron af, dat naar het reactiecentrum uit platina of palladium springt. Op dit centrum wordt waterstof geproduceerd. Voor de technische toepassing op grote schaal zijn de huidige fotokatalysatoren nog niet actief genoeg.
De onderzoekers uit Ulm hebben bij collega's van de Technische Universität Kaiserslautern een methode gebruikt die de karakterisering van water splitsende fotokatalysatoren met een veelvoud versnelt en vereenvoudigt.
Experiment en simulatie
Het hart van de proefopstelling is een ionenval in een massaspectrometer. In de gasfase worden de katalysatormoleculen in een vaste baan gehouden en continu met sterke ultrakorte laserpulsen beschoten, waarbij de moleculen afzonderlijke bestanddelen verliezen. Hierdoor is het springen van de elektronen te volgen en krijgen de onderzoekers gelijktijdig informatie over de stabiliteit van de fotokatalysator. Ze vergelijken de methode met een Star wars in een reageerbuis.
Bij de ondersteuning van de theorie kregen de onderzoekers hulp van de Technische Universität München, dat bijdroeg in de vorm van simulaties ter interpretatie van de experimenteel verkregen data. In het verleden zou een dergelijke serie onderzoeken tot tien jaar hebben geduurd. Nu konden de onderzoekers binnen enkele dagen belangrijke eigenschappen van een fotokatalysator bepalen en aldus ook aanwijzingen voor mogelijke optimalisatie krijgen.
Verdere ontwikkeling
De voordeel zijn talrijk. De materiaalbehoefte is geringer, net als de eis voor de zuiverheid van de katalysatoren. Bovendien kunnen veel eigenschappen in één stap worden bepaald. De ontwikkeling van nieuwe moleculaire energiedragers zal in de toekomst sneller en efficiënter worden. "Tot nu toe hebben we met een schepje gewerkt, nu hebben we een graafmachine", aldus de onderzoekers.
Als volgende stap willen de wetenschappers alternatieve, minder zeldzame materialen voor het fotoreactiecentrum vinden. IJzer is een veelbelovende kandidaat. Maar tot wij milieuvriendelijk op deze manier waterstof kunnen produceren, zijn we decennia verder. Maar het onderzoek versnelt nu al het zoeken naar alternatieve energiebronnen. (foto: Elvira Eberhardt/Universität Ulm)