Waterstof kan een belangrijk onderdeel zijn van onze toekomstige energievoorziening:het kan naar behoefte worden opgeslagen, getransporteerd en verbrand. Het grootste deel van de waterstof die tegenwoordig beschikbaar is, is echter een bijproduct van de aardgasproductie en dit moet veranderen om redenen van klimaatbescherming. De beste strategie tot nu toe om milieuvriendelijke "groene waterstof" te produceren, is om water te splitsen in waterstof en zuurstof met behulp van elektriciteit die afkomstig is van hernieuwbare energiebronnen, bijvoorbeeld fotovoltaïsche cellen.

Het zou echter veel gemakkelijker zijn als zonlicht direct zou kunnen worden gebruikt om water te splitsen. Dit is precies wat nieuwe katalysatoren nu mogelijk maken, in een proces dat 'fotokatalytische watersplitsing' wordt genoemd. Het concept wordt nog niet industrieel gebruikt. Aan de TU Wien zijn nu belangrijke stappen in die richting gezet:op atomaire schaal hebben wetenschappers een nieuwe combinatie van moleculaire en vastestofkatalysatoren gerealiseerd die het werk kunnen doen met relatief goedkope materialen.

Interactie van atomen

"Om water met licht te kunnen splitsen, moet je eigenlijk twee taken tegelijk oplossen", zegt Alexey Cherevan van het Institute for Materials Chemistry van de TU Wien. "We moeten denken aan zuurstof en aan waterstof. De zuurstofatomen van het water moeten worden omgezet in O₂ moleculen, en de resterende waterstofionen - die slechts protonen zijn - moeten worden omgezet in H2-moleculen."

Voor beide taken zijn nu oplossingen gevonden. Kleine anorganische clusters die uit slechts een klein aantal atomen bestaan, zijn verankerd op een oppervlak van lichtabsorberende ondersteunende structuren zoals titaniumoxide. De combinatie van clusters en zorgvuldig gekozen halfgeleiderdragers leiden tot het gewenste gedrag.

De clusters die verantwoordelijk zijn voor het oxideren van zuurstof bestaan ​​uit kobalt, wolfraam en zuurstof, terwijl clusters van zwavel en molybdeen vooral geschikt zijn voor het maken van waterstofmoleculen. De onderzoekers van de TU Wien waren de eersten die deze clusters op een oppervlak van titaniumoxide hebben afgezet, waar ze kunnen fungeren als katalysator voor watersplitsing.

"Titaniumoxide is gevoelig voor licht, dat was al bekend", zegt Alexey Cherevan. "De energie van het geabsorbeerde licht leidt tot de creatie van vrij bewegende elektronen en vrij bewegende positieve ladingen in het titaniumoxide. Deze ladingen zorgen er vervolgens voor dat de clusters van atomen die op dit oppervlak zitten, de splitsing van water in zuurstof en waterstof vergemakkelijken. "

Nauwkeurige controle, atoom voor atoom

"Andere onderzoeksgroepen die werken aan het splitsen van water met licht, vertrouwen op nanodeeltjes die heel verschillende vormen en oppervlakte-eigenschappen kunnen aannemen", legt Alexey Cherevan uit. "De groottes zijn moeilijk te controleren, de atomen zijn niet helemaal op dezelfde manier gerangschikt. Daarom is het in dit geval niet mogelijk om precies uit te leggen hoe het katalyseproces plaatsvindt." Aan de TU Wien daarentegen wordt de exacte structuur van de clusters bepaald met atomaire precisie, wat een volledig begrip van de katalytische cyclus mogelijk maakt.

"Dit is de enige manier om feedback te krijgen over waar de efficiëntie van het proces echt van afhangt", zegt Alexey Cherevan. "We willen niet alleen vertrouwen op een aanpak van vallen en opstaan ​​en verschillende nanodeeltjes proberen totdat we de beste hebben gevonden - we willen op atomair niveau ontdekken wat de optimale katalysator werkelijk is."

Nu de geselecteerde materialen geschikt zijn gebleken voor het splitsen van water, is de volgende stap om hun exacte structuur verder af te stemmen om een ​​nog hogere efficiëntie te bereiken.

Eenvoudig en veelbelovend

"Het beslissende voordeel van onze methode ten opzichte van het splitsen van water door elektrolyse is de eenvoud", benadrukt Alexey Cherevan. Elektrische waterstofproductie heeft eerst een duurzame energiebron nodig, zoals fotovoltaïsche cellen, mogelijk een opslagapparaat voor elektrische energie en een elektrolysecel. Al met al resulteert dit in een relatief complex systeem bestaande uit een veelheid aan grondstoffen. Voor fotokatalytische watersplitsing is echter alleen een geschikt gecoat oppervlak nodig dat bedekt is met water en wordt bestraald door de zon.

Op de lange termijn zou deze methode ook kunnen worden gebruikt om meer gecompliceerde moleculen te produceren met behulp van het concept van kunstmatige fotosynthese. Het is misschien zelfs mogelijk om de energie van zonnestraling te gebruiken om koolwaterstoffen te produceren met koolstofdioxide uit de atmosfeer en water, die vervolgens voor andere toepassingen kunnen worden gebruikt.

De bijbehorende onderzoeken verschijnen in ACS Catalysis en ACS Materials Au . + Verder verkennen

Katalysatoroppervlak geanalyseerd met atomaire resolutie