De wetenschappers van de Rochester-universiteit gebruikten nanokristallen van 2,5 tot 5,5 nanometer groot, gemaakt van cadmium en seleen. Deze blijken uitstekend in staat fotonen te absorberen, en met de energie die ze daardoor winnen een katalytische reactie aan te drijven waaruit waterstofgas ontstaat. Het onderzoek werd 8 november online gepubliceerd door Science Express.
Nanokristallen werken langer
De pogingen om waterstof te maken met zonlicht liepen in eerdere onderzoeken vaak stuk op de instabiliteit van organische lichtabsorberende moleculen. Vaak zijn ze na een paar uur al ‘kapot’ en nemen ze dan geen licht meer op.
De wetenschappers rekenen voor dat dergelijke moleculen er na de productie van ruwweg 10.000 diwaterstof-moleculen de brui aan geven. Van dat euvel hebben de nanokristallen geen last. De wetenschappers stellen dat élk nanokristal in twee weken tijd ruim 600.000 diwaterstof-moleculen kon produceren. “Waarschijnlijk hadden de kristallen nog wel langer gewerkt dan dat, maar na twee weken raakte ons geduld op”, grapte een van de onderzoekers op de website van de universiteit.
.jpg#/media/File:Waterstofbus._(2073853430).jpg){kind=link}
Waterstof als brandstof
Waterstof geldt al een tijd als ‘belofte’ op het gebied van duurzame energie. Het reuk- en kleurloze gas kan relatief makkelijk gemaakt worden uit water en transformeert bij verbranding weer in water. Het lijkt daarom een ideaal medium voor opslag en transport van energie.
Alleen zijn er wat haken en ogen. Hoe maken we bijvoorbeeld grote hoeveelheden waterstof? En belangrijker, hoe doen we dat zonder het milieu te belasten? Het schoonste alternatief lijkt gebruik maken van de zon. Stroom uit zonnepanelen kan hiervoor ingezet worden, maar een wellicht goedkoper alternatief is een directe waterstofproductie met behulp van oplossingen met daarin lichtabsorberende componenten die een katalytische reactie aandrijven.
Overigens is het vinden van duurzame productiemethoden niet de enige uitdaging, ook op het gebied van opslag van waterstof zijn er nog behoorlijke uitdagingen.
Er wordt door wetenschappers al jaren geëxperimenteerd met lichtabsorberende oplossingen, die twee belangrijke componenten bevatten. Een zogenoemde chromofoor neemt fotonen op die elektronen aanslaan. Deze elektronen worden vervolgens doorgegeven aan een katalysator die ze gebruikt om twee waterstof-ionen te fuseren tot het brandbare diwaterstof-gas.
Met chromoforen gemaakt van organische kleurstoffen of metaalcomplexen werden ook al redelijke rendementen gehaald. Maar zoals eerder gezegd was dat door lichtgevoelige afbraak vaak van korte duur. Daarom werd er naar alternatieven gezocht. En die werden gevonden in halfgeleidende nanokristallen, die nauwelijks last hebben van afbraak door straling. De moeite van de wetenschappers ten spijt bleven de rendementen van de nanokristallen tot nu toe doorgaans laag.
Heilige graag van het energie-onderzoek
En nu is het toch gelukt een hoog rendement te halen met een nanokristal als chromofoor in combinatie met een waterstofkatalysator van metaal. De onderzoekers melden ook succes op het gebied van deze katalysator. Met hun nanokristallen waren ze in staat een katalysator van nikkel aan te drijven, die veel goedkoper is dan de platina-variant die tot nu toe vaak werd gebruikt.
Dus kunnen we binnenkort allemaal op waterstof rijden? Nee, waarschijnlijk niet. De wetenschappers laten weten dat ze waarschijnlijk nog jaren onderzoek in het verschiet hebben voordat hun vinding praktische toepassingen krijgt.
Er is namelijk nog wel ruimte voor verbetering van de rendementen. Wellicht zijn er andersoortige nanokristallen die de lichtenergie nog efficiënter kunnen omzetten. Ook toegevoegde lichtabsorberende stoffen zouden de rendementen kunnen opstuwen. Zo komen we volgens de onderzoekers stapje voor stapje dichterbij de ‘heilige graal van het energieonderzoek’: het efficiënte en schone gebruik van zonne-energie voor de aandrijving van voertuigen en elektrische apparaten.
In dit filmpje leggen de onderzoekers zelf uit wat ze hebben gedaan (Engels):
Bronnen:
- Han Z. e.a., Robust Photogeneration of H2 in Water Using Semiconductor Nanocrystals and a Nickel Catalyst, Science (8 november 2012, online)