Ga naar hoofdinhoud

Waterstof uit zonlicht

Meerdere Japanse autofabrikanten hebben voor 2015 milieuvriendelijke waterstofvoertuigen aangekondigd. Maar deze met brandstofcellen uitgeruste elektrische auto’s hebben waterstof nodig. Onderzoekers uit Berlijn ontwikkelen momenteel een speciaal soort zonnecel, die waterstof direct uit water kan halen. Waterstof geldt als prima opslagmedium voor energieomzetting omdat wind en zon niet gelijkmatig beschikbaar zijn.

Een foto-elektrolyseapparaat is tot nog toe een visie, waar de onderzoekers van het Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) aan willen bijdragen. Energiesystemen die direct waterstof winnen, hebben het voordeel dat ze in principe als aardgas kunnen worden behandeld. Waterstof kan in tanks worden opgeslagen of met pijpleidingen worden gedistribueerd.

Opslagmedium
Waterstofgas zou het beslissende opslagmedium kunnen worden voor de toekomstige energie-industrie. Tot nu toe wordt het meestal uit fossiele bronnen als aardgas gewonnen. De onderzoekers waarschuwen echter voor overhaaste verwachtingen. Het is fundamenteel onderzoek en is over drie jaar nog niet te koop.

Het doel van de Duitse en ook Japanse collega is, de basis voor een kunstmatig blad te creëren. Zoals een boom biomassa in bladeren opwekt met energie uit zonlicht, zo moet het kunstmatige blad water direct opsplitsen in waterstof en zuurstof. De zonnecel bevindt zich daarvoor in een waterbak, waarin zonlicht kan schijnen.

De gassen moeten niet gelijktijdig worden gevormd; dat zou namelijk het explosieve knalgas vormen. De onderzoekers zijn vooral geïnteresseerd in het waterstof (solaire brandstof). De verbinding van waterstof en zuurstof behoort tot de meest energierijke. Uit de reactie van waterstof met zuurstof kunnen weer grote hoeveelheden energie worden teruggewonnen. Dat proces is bovendien milieuvriendelijk, want er ontstaat alleen water.

Directe splitsing
De directe splitsing van waterstof onder invloed van licht is in 1970 voor het eerst waargenomen door Japanse onderzoekers. Het naar hen genoemde Honda-Fujishima-effect houdt sindsdien de wetenschap bezig. De ontdekking lukte met titaandioxide, een veelgebruikte witte kleurstof.

Daar ligt ook het probleem, want titaandioxide absorbeert nauwelijks licht. De opbrengst van waterstof is daarom gering. De onderzoekers hebben daarom naar donkere halfgeleiders gezocht, die door de omvorming van zonlicht precies die hoeveelheid energie in contact met het water kunnen overbrengen, die nodig is voor het splitsen van de watermoleculen. En deze cel moet natuurlijk ook jarenlang probleemloos stabiel functioneren. Er bestaan materialen, die het splitsen van water goed aankunnen, maar binnen een minuut stuk gaan.

De ervaringen met de ontwikkeling van lichtdioden hebben hun vruchten afgeworpen. De gezamenlijke metingen met collega’s van het Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) toonden aan, dat het ontwikkelde materiaal (gebaseerd op indium-gallium-nitride ofwel InGaN) als elektrode voor de waterstofopwekking uit zonlicht veelbelovend is.

Het materiaal werkt efficiënt en stabiel en wordt ook gebruikt voor laserdioden, die een gebied afdekken tussen groen en ultraviolet. Deze worden onder meer toegepast in de belichtingstechniek of bij het afspelen van Blue-Ray disks.
 

Golflengte
Door het verschil in delen galliumnitride en indiumnitride kan licht met een verschillende golflengte worden verkregen (omzetting van elektrische energie in licht) of – in de zonnecel (lichtenergie in elektrische energie) – worden opgenomen. Op deze manier kan in zonnecellen een groter spectrum van zonlicht worden opgevangen.

Maar de natuur maakt het de wetenschappers niet eenvoudig. Voor het kweken van de kristallaag is een basis nodig die overeenkomt met het kristalrooster. Voor het indium-gallium-nitride bestaat echter geen basis die hieraan voldoet. Japanse onderzoekers negeerden het niet passende kristal en maakten verschillende proefstukken in de moleculairstraalepitaxie-installatie van het Paul-Drude-Institut.

Hierbij worden in ultrahoog vacuüm stralen van indium- en galliumatomen en stikstofradicalen op een oppervlak (in dit geval silicium) gericht. Door het regelen van de temperatuur in de verdamperfilter konden verschillende structuren en samenstellingen worden verkregen.

Vorderingen en uitdagingen
Uiteindelijk kon het kristalrooster toch worden verschalkt. Als er dan geen laagje mogelijk is, dan toch wel de minuscule nanodraadjes, die de onderzoekers op de siliciumbasis lieten groeien. Dat maakt het mogelijk om veel licht op te vangen.


Nanovezels van InGaN, die worden voorzien van enkele vreemde magnesium atomen (p-dotering) laten een relatief hoge fotostroom zien, terwijl gelijktijdig waterstof aan de grensvlakken van de nanodraden met het water wordt ontwikkeld. Co-katalysatoren zoals platina verbeteren de reactie.

De onderzoekers noemen de resultaten bemoedigend. De nanodraden absorberen over een breed spectrum licht en zetten dit om een stroom. De proben lossen ook niet op, maar leveren over een lange meetperiode constante resultaten bij de waterstofproductie.

Toch hebben ze nog een lange weg te gaan. Voor het opwekken van zuurstof aan de andere elektrode moest tot nog toe gewerkt worden met hulpspanning van buitenaf. Het volgende doel is nu om de waterstofopwekking autonoom (alleen uit energie van het zonlicht) te halen.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven