Een nieuw soort zonnepaneel, ontwikkeld aan de Universiteit van Michigan, heeft een efficiëntie van 9% bereikt bij het omzetten van water in waterstof en zuurstof, waarmee een cruciale stap in de natuurlijke fotosynthese wordt nagebootst. Hiermee is het bijna 10 keer efficiënter dan eerdere experimenten met het splitsen van water door zonne-energie. 

Maar het grootste voordeel is het verlagen van de kosten van duurzame waterstof. Dit wordt mogelijk gemaakt door de halfgeleider, meestal het duurste onderdeel van het apparaat, te verkleinen. De zelfherstellende halfgeleider van het team is bestand tegen geconcentreerd licht dat overeenkomt met 160 zonnen.

De meeste waterstof momenteel geproduceerd uit aardgas. Hierbij wordt niet alleen fossiele grondstof gebruikt, er komt bovendien CO2 bij vrij. Planten oogsten echter waterstofatomen uit water met behulp van zonlicht. Dit proces heet fotosynthese. Dit bracht onderzoekers van de Universiteit van Michigan op het idee om te onderzoeken of een soortgelijk proces ook kunstmatig was op te wekken. Een studie hiernaar werd onlangs gepubliceerd in Nature .

“Uiteindelijk geloven we dat kunstmatige fotosynthese-apparaten veel efficiënter zullen zijn dan natuurlijke fotosynthese, wat een weg naar koolstofneutraliteit zal bieden”

Professor Zetian Mi, Universiteit van Michigan
Halfgeleiderkatalysator
Een close-up van het paneel met de halfgeleiderkatalysator en het water erin. Foto: Brenda Ahearn/Michigan Engineering, Communicatie en Marketing

Voor het experiment plaatste de onderzoekers een lens ter grootte van een huisraam om zonlicht te focussen op een experimenteel paneel van slechts enkele centimeters breed. Binnen dat paneel was de halfgeleiderkatalysator bedekt met een laag puur water, borrelend van de waterstof- en zuurstofgassen die bij het proces vrijkomen.

De katalysator is gemaakt van indium galliumnitride nanostructuren op een silicium oppervlak. Het galliumnitride vangt het licht op en zet het om in vrije elektronen en gaten (positief geladen openingen die achterblijven wanneer elektronen door het licht worden vrijgemaakt). Die nanostructuren zijn doorspekt met ballen van metaal op nanoschaal, 1/2000ste van een millimeter doorsnee, die die elektronen en gaten gebruiken om de reactie te sturen.

Twee nieuwe vindingen
Peng Zhou gebruikt een grote lens om zonlicht op de watersplitsende katalysator te concentreren. Buiten was het apparaat tien keer efficiënter dan eerdere pogingen om water door zonne-energie te splitsen. Foto: Brenda Ahearn/Michigan Engineering, communicatie en marketing

Eerder zijn ook al soortgelijke experimenten uitgevoerd. Twee nieuwe vindingen maken echter dat het rendement sterk is verbeterd. De eerste is het vermogen om het zonlicht te concentreren zonder de halfgeleider die het licht vasthoudt te vernietigen. Dit biedt een aanzienlijk kostenvoordeel omdat de halfgeleider verreweg het duurste onderdeel is van een watersplitsend zonnepaneel. Hiervoor is de grootte van de halfgeleider meer dan 100 keer verkleind in vergelijking met sommige halfgeleiders die alleen bij lage lichtintensiteit werken. Door zijn zelfherstellende eigenschap is de katalysator bovendien bestand tegen licht dat overeenkomt met 160 zonnen.

“Waterstof geproduceerd door onze technologie zou heel goedkoop kunnen zijn.”

Peng Zhou, research fellow in elektrische en computertechniek en eerste auteur van de studie.

De tweede vinding is om zowel het hogere energiedeel van het zonnespectrum te gebruiken om water te splitsen als het lagere deel van het spectrum te gebruiken om warmte te leveren die de reactie stimuleert.  Hogere temperaturen versnellen het watersplitsingsproces en de extra warmte zorgt er ook voor dat de waterstof en zuurstof gescheiden blijven in plaats van dat ze hun bindingen vernieuwen en opnieuw water te vormen. 

Efficiency van 9%

Het experiment behaalde een efficiëntie van 9% bij het omzetten van de energie van de zon in waterstofbrandstof. Ter vergelijk: Bij de meeste PV-zonnepanelen ligt de efficiëntie tussen de 16 en 20 procent. Om hier vervolgens waterstof uit te maken, kost echter ook weer energie. Momenteel is de productie van waterstof uit zonnestroom en traditionele elektrolyse nog wel efficiënter (en goedkoper) dan via deze nieuwe ‘fotosynthese’ methode. Maar dat zou in de toekomst best wel eens kunnen wijzigen.


Bron: nature fotos © Brenda Ahearn/Michigan Engineering, communicatie en marketing

Categorieën: Elektrolyse

0 reacties

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

%d bloggers liken dit: