Onderzoekers van de TU Delft hebben, samen met collega's van de École Polytechnique Fédéral de Lausanne (EPFL, Zwitserland), een simpele maar effectieve oplossing gevonden waarmee de efficiëntie en stabiliteit van waterstofproductie door waterontleding sterk worden verbeterd. Door de positieve en de negatieve elektroden met een bipolair membraan van elkaar te scheiden, wisten ze de lokale condities voor elektrolyse te optimaliseren. Bovendien hebben ze dit gedaan met niet-schaarse materialen voor katalysatoren en zonnecellen, wat perspectief biedt op waterstofproductie tegen lagere kosten. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het laatste nummer van Advanced Energy Materials.

Solar fuels

De gedachte die universitair hoofddocent dr. Wilson Smith bij zijn onderzoek aan de TU Delft motiveert, is dat één uur zonlicht dat de aarde bereikt, genoeg energie bevat voor één jaar energiebehoefte van de hele wereld. Een van de uitdagingen is hoe je een deel van die energie kunt opslaan en transporteren voor gebruik op een later tijdstip. Zogenaamde solar fuels kunnen uitkomst bieden, bijvoorbeeld door zonne-energie te gebruiken om waterstof uit water te produceren.

Efficiënte waterontleding

Het proces dat hier een rol speelt is elektrolyse. Voor de beste efficiënte waterontleding op lange termijn is eigenlijk een sterk zuur rond de negatieve pool en een sterke base rond de positieve pool nodig. Tot nu toe werkten de meeste commercieel verkrijgbare elektrolyserende oplossingen met ofwel een zeer zure, ofwel een zeer basische elektrolyt. Daardoor wordt de keuze aan katalysatoren zeer beperkt, en is het lastig om een geschikt paar elektroden te vinden voor dat ene elektrolyt. Alleen edele - en daardoor dure - metalen werken in deze systemen.

Simpele oplossing

De schijnbaar simpele oplossing waarbij de twee elektroden worden gescheiden door een speciaal membraan, maakt optimalisatie van het proces mogelijk. De beide elektroden kunnen zo in hun eigen optimale omgeving worden geplaatst. Ook kunnen katalysatoren van ruimschoots beschikbare materialen worden gebruikt, waardoor het proces goedkoper, efficiënter en stabieler wordt.

Efficiënt proces

Het internationale onderzoeksteam, waar ook dr. David Vermaas van de TU Delft deel van uitmaakt, heeft aangetoond dat toepassing van een bipolair membraan op deze wijze kan leiden tot een efficiëntie van 12,7% in het splitsen van water. Natuurlijke fotosynthese in planten verloopt met een efficiëntie van ongeveer 1%, terwijl een efficiëntie van 10% volgens verschillende technisch-economische analyses wordt beschouwd als startpunt voor mogelijke commerciële levensvatbaarheid. Voor dit type processen is al een efficiëntie van 18% behaald, maar dan alleen met edele metalen en andere zeer kostbare en instabiele materialen. Dat deze hoge efficiëntie kan worden bereikt met uitsluitend ruimschoots beschikbare componenten in de zonnecel en de katalysatoren, lijkt een overtuigend bewijs voor de haalbaarheid van deze technologie. Smith: ‘Dit is wetenschappelijk gezien een grote stap die de overgang van laboratoriumsystemen naar praktijkinstallaties dichterbij kan brengen.’

Mogelijke andere toepassingen

Deze scheiding van elektroden is volgens Smith ook veelbelovend voor andere toepassingen: ‘Met dit bipolaire membraan voor elektrochemische systemen kunnen we nu in theorie de optimale halfreactiecomponenten voor processen aan elkaar klikken als Legosteentjes. Dat biedt enorme mogelijkheden voor andere elektrochemische reacties, zoals de productie van ammonia en koolwaterstoffen, met complete scheiding van de oxidatiehalfreactie. In die volgende stap kunnen we een echt kunstmatig fotosynthesesysteem maken dat de natuurlijke efficiëntie verre overtreft.’

Meer informatie

Bipolar Membrane-assisted Solar Water Splitting in Optimal pH, Jingshan Luo*, David A. Vermaas, Dongqin Bi, Anders Hagfeldt, Wilson A. Smith* en Michael Grätzel 
DOI: 10.1002/aenm.201600100, http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201600100/abstract  
Contactpersoon: Dr. Wilson Smith (TU Delft), +31 15 27 82659, W.A.Smith@tudelft.nl 
www.smithsolarlab.com 

Zie ook dit artikel op Kennislink hierover: Zonne-energie makkelijk opslaan

 

Roy Meijer, adviseur wetenschapscommunicatie TU Delft, +31 15 27 81751, r.e.t.meijer@tudelft.nl