Een onderzoeksteam van het Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) heeft de krachten gebundeld met Franse onderzoekers van het Institute of Chemistry and Processes for Energy, Milieu en Gezondheid (ICPEES), een gezamenlijk onderzoekslaboratorium van de CNRS-Universiteit van Straatsburg, om de weg vrij te maken voor de productie van groene waterstof. Dit internationale team heeft nieuwe, voor zonlicht fotogevoelige-nanogestructureerde elektroden ontwikkeld. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in het novembernummer van het tijdschrift van Zonne-energiematerialen en zonnecellen .

Een energietransitievector

Waterstof wordt door verschillende landen van de Organisatie voor Economische Samenwerking en Ontwikkeling (OESO) beschouwd als een belangrijke speler in de transitie naar koolstofarme industrieën en sectoren. Volgens de INRS-professor My Ali El Khakani, Quebec zou zich strategisch kunnen positioneren in deze energiesector van de toekomst. "Dankzij hoogwaardige nanomaterialen, we kunnen de efficiëntie van waterdissociatie verbeteren om waterstof te produceren. Deze "schone" brandstof wordt steeds belangrijker voor het koolstofarm maken van het zware vrachtvervoer en het openbaar vervoer. Bijvoorbeeld, bussen die waterstof als brandstof gebruiken, rijden al in verschillende Europese landen en in China. Deze bussen stoten water uit in plaats van broeikasgassen, ", voegde de fysicus en nanomaterialenspecialist eraan toe.

Het splitsen van watermoleculen in zuurstof en waterstof gebeurt al lang door middel van elektrolyse. Echter, industriële elektrolysers zijn zeer energie-intensief en vergen grote investeringen. De onderzoekers van INRS en ICPEES lieten zich eerder inspireren door een natuurlijk mechanisme:fotosynthese. Inderdaad, ze hebben speciaal ontworpen en gestructureerde elektroden ontwikkeld die watermoleculen onder zonlicht splitsen. Dit is een proces dat bekend staat als fotokatalyse.

Voor maximaal gebruik van zonne-energie, de onderzoeksteams hebben een zeer overvloedig en chemisch stabiel materiaal geselecteerd:titaandioxide (TiO ₂ ). TiO ₂ is een halfgeleider die bekend staat als lichtgevoelig voor UV-licht, die slechts 5% van de zonnestraling uitmaakt. Onderzoekers hebben hun expertise in het veld gebruikt om eerst de atomaire samenstelling van TiO . te veranderen ₂ en breid de lichtgevoeligheid uit tot zichtbaar licht. Ze waren in staat om elektroden te produceren die tot 50% van het door de zon uitgestraalde licht kunnen absorberen. Vanaf het begin een aanzienlijke winst!

De onderzoekers zijn vervolgens overgegaan tot de nanostructurering van de elektrode om een ​​netwerk van TiO . te vormen ₂ nanobuisjes die lijken op een bijenkorfachtige structuur. Deze methode vermenigvuldigde het effectieve oppervlak van de elektrode met een factor 100, 000 of meer. "Nanostructurering maximaliseert de verhouding tussen oppervlak en volume van een materiaal. TiO ₂ nanostructuren kunnen een oppervlakte bieden tot 50 m ² per gram. Dat is de oppervlakte van een middelgrote flat!" merkte professor El Khakani op.

De laatste stap van de uitwerking van de elektrode is hun "nanodecoratie". Dit proces bestaat uit het afzetten van katalysator-nanodeeltjes op het anders oneindige netwerk van TiO ₂ nanobuisjes om hun efficiëntie van waterstofproductie te verhogen. Om deze nanodecoratiestap te bereiken, gebruikten de onderzoekers de depositietechniek van laserablatie, een gebied waar professor El Khakani de afgelopen 25 jaar een unieke expertise heeft ontwikkeld. De uitdaging was niet alleen om de grootte te beheersen, dispersie en verankering van katalysator-nanodeeltjes op de TiO ₂ nanobuismatrix, maar ook om alternatieven te vinden voor de dure klassieke iridium- en platinakatalysatoren.

Dit onderzoek identificeerde kobaltoxide (CoO), een materiaal dat vrij verkrijgbaar is in de ondergrondse van Quebec, als effectieve co-katalysatoren voor het splitsen van watermoleculen. Een vergelijking van de twee materialen toonde aan dat CoO-nanodeeltjes een tienvoudige toename van de fotokatalytische efficiëntie van deze nieuwe nano-gedecoreerde elektroden onder zichtbaar licht mogelijk maakten in vergelijking met kale nanobuisjes.