Nanoplaatjes voor brandstof uit zonlicht
Solar fuels, schone brandstoffen uit zonlicht, water en CO2, zijn een aantrekkelijke manier om zonne-energie op te slaan in bijvoorbeeld waterstof of koolwaterstoffen. Het rendement van de technologie moet nog wel omhoog. Promovendus Kasper Wenderich van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de UT heeft hiervoor onderzoek gedaan naar speciale nanoplaatjes met daarop platina deeltjes die de omzetting versnellen. Hij ontdekte onder meer waarom het effect van die deeltjes achterblijft bij de algemene verwachting. Wenderich promoveert op 18 maart.
Hét grote probleem bij zonne-energie die wordt omgezet in stroom, is de opslag. De vraag naar elektriciteit loopt nu eenmaal niet altijd gelijk op met de productie. Kunnen we geen zonne-energie opslaan in duurzame ‘solar fuels’, is dus een vraag waar wereldwijd veel onderzoek naar wordt verricht. Zo’n brandstof kan waterstof zijn, vanuit zonlicht en water; ook de omzetting van kooldioxide is een optie, waarmee meteen ook iets gedaan wordt aan de grote uitstootproblematiek van dit gas.
Voor deze chemische omzettingen zijn speciale materialen nodig, fotokatalysatoren. Titaandioxide is hiervoor het meest toegepast, maar dat heeft volgens Wenderich nog wel beperkingen. Hij heeft daarom gekozen voor wolfraamtrioxide, een geelgekleurd materiaal dat nog beter in staat is om zonlicht te absorberen. Van deze stof maakt hij nanoplaatjes: op de vlakken, facetten, van deze plaatjes gaan de reacties plaatsvinden. Bijvoorbeeld: zonlicht maakt elektronen vrij die verschijnen aan één oppervlak en die waterstof vormen als er waterstofionen op dat vlak adsorberen. De elektronen de goede kant op sturen, dat is in dit geval de kunst. De ‘gaten’ die vrijkomen, bewegen naar een ander vlak van het nanoplaatje en reageren met zuurstofionen tot zuurstofgas.
Maar ook wolfraamtrioxide heeft een extra zetje nodig voor een grotere efficiëntie. Platina-nanodeeltjes kunnen dan als ‘co-katalysator’ dienen voor reacties met elektronen, is de gedachte. Die worden via een techniek die ook gebruik maakt van licht, fotodepositie, op die oppervlakken aangebracht waar de reacties met elektronen moeten plaatsvinden. De elektronen zijn door de aanwezigheid van Pt nog meer geneigd om naar het goede vlak te bewegen, is de theorie. Het op het juiste vlak afzetten van Pt is echter lastiger dan gedacht, concludeert Wenderich in zijn proefschrift. Platina zet zich ook graag af op de randen en blijkt dan zelfs de reacties te vertrágen. Dat platina-deeltjes op verkeerde plekken landen blijkt niet alleen uit de gemeten prestaties in een solar fuel experiment, het blijkt ook uit detailmetingen met atomic force microscopy. Verder levert het onderzoek van Wenderich veel nieuwe inzichten op in de optimale verdeling en grootte van de nanodeeltjes: de resultaten zijn zeker geen streep door de rekening van fotodepositie, maar ze zijn wel reden genoeg om de verwachtingen te temperen. Ook het vormen van nanoplaatjes is kansrijk: ook voor andere materialen dan wolfraamtrioxide is dit een interessante optie voor verder onderzoek.
Hét grote probleem bij zonne-energie die wordt omgezet in stroom, is de opslag. De vraag naar elektriciteit loopt nu eenmaal niet altijd gelijk op met de productie. Kunnen we geen zonne-energie opslaan in duurzame ‘solar fuels’, is dus een vraag waar wereldwijd veel onderzoek naar wordt verricht. Zo’n brandstof kan waterstof zijn, vanuit zonlicht en water; ook de omzetting van kooldioxide is een optie, waarmee meteen ook iets gedaan wordt aan de grote uitstootproblematiek van dit gas.
Voor deze chemische omzettingen zijn speciale materialen nodig, fotokatalysatoren. Titaandioxide is hiervoor het meest toegepast, maar dat heeft volgens Wenderich nog wel beperkingen. Hij heeft daarom gekozen voor wolfraamtrioxide, een geelgekleurd materiaal dat nog beter in staat is om zonlicht te absorberen. Van deze stof maakt hij nanoplaatjes: op de vlakken, facetten, van deze plaatjes gaan de reacties plaatsvinden. Bijvoorbeeld: zonlicht maakt elektronen vrij die verschijnen aan één oppervlak en die waterstof vormen als er waterstofionen op dat vlak adsorberen. De elektronen de goede kant op sturen, dat is in dit geval de kunst. De ‘gaten’ die vrijkomen, bewegen naar een ander vlak van het nanoplaatje en reageren met zuurstofionen tot zuurstofgas.
Maar ook wolfraamtrioxide heeft een extra zetje nodig voor een grotere efficiëntie. Platina-nanodeeltjes kunnen dan als ‘co-katalysator’ dienen voor reacties met elektronen, is de gedachte. Die worden via een techniek die ook gebruik maakt van licht, fotodepositie, op die oppervlakken aangebracht waar de reacties met elektronen moeten plaatsvinden. De elektronen zijn door de aanwezigheid van Pt nog meer geneigd om naar het goede vlak te bewegen, is de theorie. Het op het juiste vlak afzetten van Pt is echter lastiger dan gedacht, concludeert Wenderich in zijn proefschrift. Platina zet zich ook graag af op de randen en blijkt dan zelfs de reacties te vertrágen. Dat platina-deeltjes op verkeerde plekken landen blijkt niet alleen uit de gemeten prestaties in een solar fuel experiment, het blijkt ook uit detailmetingen met atomic force microscopy. Verder levert het onderzoek van Wenderich veel nieuwe inzichten op in de optimale verdeling en grootte van de nanodeeltjes: de resultaten zijn zeker geen streep door de rekening van fotodepositie, maar ze zijn wel reden genoeg om de verwachtingen te temperen. Ook het vormen van nanoplaatjes is kansrijk: ook voor andere materialen dan wolfraamtrioxide is dit een interessante optie voor verder onderzoek.
Geen opmerkingen: