Duurzame productie van waterstof uit zonlicht en lucht dichterbij door Zwitserse vinding

Voor de transitie naar een duurzaam energiesysteem zijn er technieken nodig om duurzame energie, zoals zonne-energie, om te zetten in brandstoffen, zoals waterstof. Dat is belangrijk voor energieopslag en toepassingen die nog niet zonder stroom kunnen, zoals vliegtuigen.

Waterstof kan al duurzaam geproduceerd worden, bijvoorbeeld door stroom van zonnepanelen te gebruiken om een zogeheten elektrolyser aan te drijven die vloeibaar water splitst in waterstof en zuurstof. „Maar dat is nog te duur om te concurreren met de huidige waterstofproductie uit aardgas”, vertelt chemische technoloog Kevin Sivula van de Technische Universiteit van Lausanne in Zwitserland. „Daarom onderzoeken wij technieken die minder duur zouden kunnen zijn.”

Daarin hebben de onderzoekers van de Technische Universiteit van Lausanne nu een belangrijke stap gezet. Ze hebben elektrodes ontwikkeld die poreus en transparant zijn, zodat zonlicht en water uit de lucht de halfgeleider kunnen bereiken om daar een foto-elektrochemische reactie te laten plaatsvinden die waterstof oplevert. De resultaten verschenen woensdag in het vakblad Advanced Materials.

Dit was eerder niet mogelijk omdat de benodigde elektroden niet doorzichtig genoeg waren om het zonlicht voor de foto-elektrochemische reactie door te laten.

„Het voordeel van ons systeem is dat we geen vloeibaar water gebruiken”, vertelt Sivula. In systemen die vloeibaar water gebruiken kun je namelijk niet simpelweg water uit een meer of oceaan gooien. Je moet het eerst zuiveren. Sivula: „Dat probleem hebben wij niet omdat we water uit de lucht laten condenseren. Dat levert meteen schoon water op.”

Elektrochemische spons

De basis voor de transparante elektrodes is een soort glaswol dat de onderzoekers samenpersen en verhitten om er een compacte, sponsachtige structuur van te maken. Daarop brengen ze een materiaal aan dat transparant en elektrisch geleidend is – een lastige combinatie. Vervolgens bedekken ze het met een lichtabsorberende halfgeleider. Daar voegen ze een katalysator aan toe die de waterstofproducerende reactie laat plaatsvinden.

Dit geheel is poreus, zodat er genoeg oppervlak is waarop waterdamp kan neerslaan. En het is transparant genoeg om het zonlicht door te laten voor de foto-elektrochemische reactie. Tests met een kleinschalig prototype laten zien dat dit systeem inderdaad waterstofgas produceert.

De onderzoekers hebben nog niet gekeken welke luchtvochtigheid minimaal nodig is. „Een hogere luchtvochtigheid, zoals in de tropen of boven zee, geeft waarschijnlijk het beste resultaat”, zegt Sivula. „Maar zelfs in de woestijn zit er genoeg water in de lucht om waterstof te produceren.”

Bovendien is het de bedoeling dat het apparaat gebruik maakt van de wisselende omstandigheden van dag en nacht. ’s Nachts, als het afkoelt en de relatieve luchtvochtigheid stijgt, kan het systeem water uit de lucht absorberen om daarmee vervolgens overdag, als de zon schijnt, waterstof te produceren.

Efficiëntie nog te laag

Een toekomst waarin deze apparaten grootschalig en goedkoop waterstof produceren is nog ver weg, geeft Sivula toe. „We hebben nu een systeem met lage kosten dat schaalbaar is. Maar de efficiëntie is nog te laag.”

Het prototype had een efficiëntie van ongeveer 1 procent voor het omzetten van zonlicht in waterstof. Dat moet zeker tien keer beter voordat het commercieel interessant is.

Joost Reek, hoogleraar chemie aan de Universiteit van Amsterdam en niet betrokken bij het onderzoek, beaamt dat: „Het moet nog verder geoptimaliseerd en ontwikkeld worden, maar het ziet er veelbelovend uit.”

„Theoretisch lijkt het mogelijk”, zegt Sivula. Er is nog veel te optimaliseren aan de materialen en opbouw. Toekomstige experimenten zullen moeten uitwijzen of onderzoekers de efficiëntie kunnen opkrikken zonder dat daardoor de kosten de pan uit rijzen.