(Phys.org)—Momenteel is een van de meest efficiënte manieren om zonne-energie op te slaan het overbrengen van de energie naar katalysatoren die water splitsen in waterstof en zuurstof. Vervolgens kan de waterstof ofwel als brandstof worden gebruikt of later opnieuw worden gecombineerd met zuurstof om water te produceren en indien nodig elektriciteit vrij te maken.

Echter, een van de problemen bij het gebruik van water om zonne-energie op te slaan, is dat de katalysatoren zijn gemaakt van aarde-overvloedige elementen (zoals mangaan, kobalt, en nikkel) die corroderen in water met een neutrale pH. Om dit probleem aan te pakken, onderzoekers hebben zelfherstellende katalysatoren ontworpen die zichzelf kunnen regenereren in aanwezigheid van andere elementen, zoals negatief geladen fosfaat- of boraationen.

Een van de opmerkelijke kenmerken van de zelfherstellende katalysatoren is dat, zolang ze actief zijn, er is geen limiet aan het aantal keren dat ze zichzelf kunnen genezen.

Nu in een nieuw artikel gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , twee van de onderzoekers die de zelfherstellende katalysator hebben ontwikkeld, Cyrille Costentin aan de Paris Diderot University en Daniel G. Nocera aan de Harvard University, hebben op een meer gedetailleerd niveau onderzocht hoe dit proces werkt.

"Dit artikel biedt een kwantitatief model voor zelfgenezing, "Nocera vertelde" Phys.org . "Het gaat eigenlijk verder dan energie en biedt een routekaart voor het ontwerp van elke zelfherstellende katalysator. De regelset is zelfassemblage en katalyse. Als de energie-input voor de werking van de katalysator groter is dan die voor zelfassemblage, dan zou de katalysator zelfherstellend moeten zijn. Dus de principes die in dit document zijn ontwikkeld, zijn algemeen."

Zoals de onderzoekers in hun werk laten zien, een katalysator kan zichzelf herstellen als het zelfherstelproces minder energie vereist dan nodig is voor de normale werking van de katalysator. Een eenvoudige manier om het zelfgenezingsproces te regelen, is door de pH van de oplossing aan te passen, aangezien de hoeveelheid energie die nodig is voor deze twee processen afhangt van de pH.

De onderzoekers laten zien dat er een kritische pH "zone van zelfgenezing" is die afhankelijk is van verschillende factoren, in het bijzonder de geometrie van de watersplitsende cel en de fosfaat- of boraatbufferconcentratie. Gelukkig voor praktische toepassingen, de onderzoekers laten zien dat zelfgenezing kan optreden over een breed scala aan pH-waarden, inclusief bij een neutrale pH voor typische celgeometrieën en bufferconcentraties, waardoor de meeste natuurlijke waterbronnen kunnen worden gebruikt om zonne-energie op te slaan.

Aangezien een groot deel van de toekomstige vraag naar hernieuwbare energie naar verwachting zal komen van lage inkomens, ontwikkelingslanden, de mogelijkheid om lokale natuurlijke waterbronnen te gebruiken in plaats van zuiver water voor de opslag van zonne-energie zal een groot voordeel bieden om de technologie kosteneffectief en op grote schaal te implementeren. De onderzoekers zijn van plan om in de toekomst naar dit doel toe te werken.

"De volgende fase is het maken van prototypes, " zei Nocera. "We gebruiken deze katalysator in combinatie met CO ₂ en N ₂ bacteriën fixeren (papieren van onze groep in Wetenschap in 2016 en PNAS in 2017) om vloeibare brandstoffen en kunstmest te maken, duurzaam (met alleen lucht, water, en zonlicht als input). Deze prototypes worden momenteel in India ontwikkeld."

© 2017 Fys.org