TU Delft verbetert productie van waterstof uit zonlicht

TU Delft heeft samen met het Helmholtz-Zentrum Berlin de productie van waterstof uit zonne-energie een stap vooruit geholpen. De onderzoekers publiceerden op maandag 29 juli over hun bevindingen in de online editie van Nature Communications.
Waterstof wordt wel gezien als dé energiedrager van de toekomst, bijvoorbeeld voor gebruik in brandstofcelauto’s. Voorwaarde is dan wel dat waterstof betaalbaar, efficiënt en milieuvriendelijk kan worden geproduceerd. Een van de mogelijkheden hiervoor is de elektrolyse van water, waardoor dit splitst in waterstof en zuurstof. Die elektrolyse kan bijvoorbeeld gebeuren met duurzaam opgewekte elektriciteit. Maar elektrolyse is een dure techniek.
Daarnaast is het direct splitsen van water met zonlicht een mogelijkheid. Dit kan met behulp van halfgeleidende elektrodes. Professor Bernard Dam van de faculteit Technische Natuurwetenschappen van de TU Delft: ‘Er worden momenteel allerlei configuraties uitgeprobeerd om met zonlicht direct waterstof te produceren. Met relatief dure zonnecellen werd bijvoorbeeld een efficiëntie van 4,7 procent gehaald. Maar wij denken dat deze aanpak nog maar moeilijk is te verbeteren en dat het bovendien een kostbare aangelegenheid zou zijn.’
‘Onze focus lag daarom op ‘goedkoop en stabiel’. Een van de interessante alternatieven is de combinatie van een simpele, goedkope zonnecel met een zogenoemde foto-anode, een lichtgevoelig materiaal gemaakt uit een metaaloxide. Dit kan bijvoorbeeld bismuthvanadaat (BiVO4) zijn, dat stabiel is in water. Hiermee is al eerder geëxperimenteerd, maar de bereikte efficiëntie was nog relatief laag. De essentiële verbetering die de promovendus Fatwa Abdi nu heeft gerealiseerd, is het aanbrengen van een zogenoemde concentratie-gradiënt van wolfraam-atomen in het bismuthvanadaat. Deze wolfraam-atomen zorgen ervoor dat de efficiëntie van de foto-anode sterk is verbeterd.’
‘We hebben op die manier een rendement van bijna 5 procent bereikt. Dat wil zeggen dat bijna 5 procent van de energie van het invallende zonlicht wordt opgeslagen in het geproduceerde waterstof. Die 5 procent is voor dit type opstelling een record. We denken dat op termijn een efficiëntie van 10 procent haalbaar is.’
‘Bovendien is de opzet goedkoop en stabiel. Het bismuthvanadaat kan eenvoudig gesprayd worden en is een zeer goedkoop materiaal dat als pigment in de verfindustrie wordt gebruikt. Ook de gebruikte zonnecel (amorf, double junction) is stabiel en goedkoop. In de toekomst kunnen we zelfs met de goedkoopste, single junction zonnecel werken.’
De ontwikkeling is een samenwerking met het Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialen und Energie (Roel van de Krol) en het Photovoltaics Materials and Device Laboratory (Prof. Zeman, Dr Smets, Lihao Han, promovendus, PVMD) van de TU Delft. Dam: ‘Hieruit blijkt de kracht van de TU Delft. We combineren een zonnecel die hier in huis is geproduceerd (PVMD) met een foto-anode die eveneens aan de TU is geproduceerd (TNW).’