Waterstof is een schone, hernieuwbare brandstof die het potentieel heeft om onze huizen en bedrijven van stroom te voorzien en ons te helpen onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen. Het produceren van waterstof kan echter een uitdaging zijn, vooral op een manier die kosteneffectief en duurzaam is.

Een veelbelovende benadering van de waterstofproductie is het gebruik van silicium. Silicium is een halfgeleidermateriaal dat overvloedig aanwezig is in de aardkorst. Bij blootstelling aan water kan silicium waterstofgas produceren via een proces dat foto-elektrochemische (PEC) watersplitsing wordt genoemd.

Bij PEC-watersplitsing wordt lichtenergie geabsorbeerd door de siliciumhalfgeleider, waardoor een elektrische stroom ontstaat. Deze stroom drijft de splitsing van watermoleculen in waterstof- en zuurstofgas aan.

De efficiëntie van de PEC-watersplitsing hangt af van verschillende factoren, waaronder het gebruikte type silicium, de lichtbron en het celontwerp. Onderzoekers hebben de afgelopen jaren echter aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het verbeteren van de efficiëntie van dit proces.

In 2017 rapporteerde een team van onderzoekers van het California Institute of Technology (Caltech) een nieuw type siliciumfoto-elektrode die een conversie-efficiëntie van zonne-energie naar waterstof bereikte van 12,4%. Dit is de hoogste efficiëntie ooit gerapporteerd voor een op silicium gebaseerd PEC-watersplitsingssysteem.

De Caltech-onderzoekers gebruikten een speciaal type silicium, zwart silicium genaamd, dat een geruwd oppervlak heeft dat helpt meer licht te absorberen. Ze gebruikten ook een geconcentreerde lichtbron en een speciaal ontworpen cel om de efficiëntie van het proces te verbeteren.

De ontwikkeling van dit nieuwe type silicium foto-elektrode is een belangrijke stap voorwaarts in de zoektocht naar kosteneffectieve en duurzame waterstofproductie. Met voortgezet onderzoek en ontwikkeling zou het splitsen van PEC-water op een dag een belangrijke bron van schone, hernieuwbare energie kunnen worden.

Voordelen van het gebruik van silicium voor de productie van waterstof

Er zijn verschillende voordelen verbonden aan het gebruik van silicium voor de productie van waterstof, waaronder:

* Overvloed: Silicium is, na zuurstof, het meest voorkomende element in de aardkorst. Dit betekent dat het een gemakkelijk verkrijgbaar en goedkoop materiaal is.

* Stabiliteit: Silicium is een zeer stabiel materiaal, waardoor het zeer geschikt is voor gebruik in ruwe omgevingen.

* Niet-giftig: Silicium is niet giftig, wat betekent dat het geen gezondheidsrisico vormt voor mens of milieu.

* Hoge efficiëntie: Op silicium gebaseerde PEC-watersplitsingssystemen kunnen een hoog rendement behalen, wat betekent dat ze met een kleine hoeveelheid energie veel waterstof kunnen produceren.

Uitdagingen bij het gebruik van silicium voor de productie van waterstof

Er zijn ook enkele uitdagingen verbonden aan het gebruik van silicium voor de productie van waterstof, waaronder:

* Hoge kosten: Silicium is een relatief duur materiaal, waardoor het moeilijk kan zijn om waterstof op grote schaal te produceren.

* Beperkte lichtabsorptie: Silicium absorbeert licht niet zo goed, wat betekent dat het moeilijk kan zijn om voldoende elektriciteit op te wekken om het watersplitsingsproces aan te drijven.

* Corrosie: Silicium kan corroderen in de aanwezigheid van water, wat de efficiëntie en levensduur van PEC-watersplitsingssystemen kan verminderen.

Onderzoeksrichtingen

Onderzoekers werken aan het overwinnen van de uitdagingen die gepaard gaan met het gebruik van silicium voor de productie van waterstof. Enkele van de meest veelbelovende onderzoeksrichtingen zijn:

* Het ontwikkelen van nieuwe soorten siliciummaterialen die efficiënter zijn in het absorberen van licht en minder gevoelig zijn voor corrosie.

* Verbetering van het celontwerp om de efficiëntie van het watersplitsingsproces te verhogen.

* Het verlagen van de kosten van op silicium gebaseerde PEC-watersplitsingssystemen.

Met voortgezet onderzoek en ontwikkeling zou de op silicium gebaseerde PEC-watersplitsing op een dag een belangrijke bron van schone, hernieuwbare energie kunnen worden.