Een mogelijke bron van duurzame energie is waterstofgas dat met behulp van zonlicht uit water wordt gewonnen. Onderzoekers van de Universiteit van Linköping, Zweden, een materiaal hebben ontwikkeld, nanoporeus kubiek siliciumcarbide, dat veelbelovende eigenschappen vertoont om zonne-energie op te vangen en water te splitsen voor de productie van waterstofgas. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

"Er zijn nieuwe duurzame energiesystemen nodig om de mondiale energie- en milieu-uitdagingen aan te gaan, zoals de toenemende uitstoot van kooldioxide en klimaatverandering, " zegt Jianwu Sun, hoofddocent bij de vakgroep Natuurkunde, Scheikunde en Biologie aan de Universiteit van Linköping, die de nieuwe studie heeft geleid.

Waterstof heeft een energiedichtheid die drie keer zo groot is als die van benzine. Het kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken met behulp van een brandstofcel, en auto's op waterstof zijn al in de handel verkrijgbaar. Wanneer waterstofgas wordt gebruikt om energie op te wekken, het enige gevormde product is zuiver water. In tegenstelling tot, echter, koolstofdioxide ontstaat wanneer de waterstof wordt geproduceerd, aangezien de meest gebruikte technologie die tegenwoordig wordt gebruikt, voor het proces afhankelijk is van fossiele brandstoffen. Dus, Bij de productie van 1 ton waterstofgas wordt 9-12 ton koolstofdioxide uitgestoten.

Het produceren van waterstofgas door het splitsen van watermoleculen met behulp van zonne-energie is een duurzame benadering die waterstofgas zou kunnen geven met behulp van hernieuwbare bronnen zonder dat dit leidt tot uitstoot van kooldioxide. Een groot voordeel van deze methode is de mogelijkheid om zonne-energie om te zetten in brandstof die kan worden opgeslagen.

"Conventionele zonnecellen produceren overdag energie, en de energie moet ofwel onmiddellijk worden gebruikt, of opgeslagen in, bijvoorbeeld, batterijen. Waterstof is een veelbelovende energiebron die op dezelfde manier kan worden opgeslagen en getransporteerd als traditionele brandstoffen zoals benzine en diesel, " zegt Jianwu Sun.

Het is niet, echter, een gemakkelijke taak om water te splitsen met behulp van de energie in zonlicht om waterstofgas te geven. Om dit te laten slagen, het is noodzakelijk om kostenefficiënte materialen te vinden die de juiste eigenschappen hebben voor de reactie waarbij water (H2O) door foto-elektrolyse wordt gesplitst in waterstof (H2) en zuurstof (O2). De energie in zonlicht die kan worden gebruikt om water te splitsen, is meestal in de vorm van ultraviolette straling en zichtbaar licht. Daarom, er is een materiaal nodig dat dergelijke straling efficiënt kan absorberen om ladingen te creëren die kunnen worden gescheiden en voldoende energie hebben om de watermoleculen te splitsen in waterstof- en zuurstofgassen. De meeste materialen die tot nu toe zijn onderzocht, zijn ofwel inefficiënt in de manier waarop ze de energie van zichtbaar zonlicht (titaniumdioxide, TiO2, bijvoorbeeld, absorbeert alleen ultraviolet zonlicht), of niet de eigenschappen hebben die nodig zijn om water te splitsen in waterstofgas (bijvoorbeeld silicium, Si).

De onderzoeksgroep van Jianwu Sun heeft kubisch siliciumcarbide onderzocht, 3C-SiC. De wetenschappers hebben een vorm van kubisch siliciumcarbide geproduceerd met veel extreem kleine poriën. Het materiaal, die ze nanoporeus 3C-SiC noemen, heeft veelbelovende eigenschappen die suggereren dat het kan worden gebruikt om waterstofgas te produceren uit water met behulp van zonlicht. De huidige studie is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano , en daarin laten de onderzoekers zien dat dit nieuwe poreuze materiaal op efficiënte wijze ultraviolet en het grootste deel van het zichtbare zonlicht kan opvangen en oogsten. Verder, de poreuze structuur bevordert de scheiding van ladingen die de benodigde energie hebben, terwijl de kleine poriën een groter actief oppervlak geven. Dit verbetert de ladingsoverdracht en verhoogt het aantal reactieplaatsen, waardoor de watersplitsingsefficiëntie verder wordt verhoogd.

"Het belangrijkste resultaat dat we hebben aangetoond, is dat nanoporeus kubisch siliciumcarbide een hogere efficiëntie van ladingsscheiding heeft, waardoor de splitsing van water naar waterstof veel beter is dan bij gebruik van vlak siliciumcarbide, " zegt Jianwu Sun.