211service.com
Een groener 'kunstmatig blad'
Fotosynthese, de natuurlijke manier om zonlicht om te zetten in brandstof, gebeurt overal om ons heen, van bladeren aan een boom tot het kleinste grassprietje. Maar het vinden van een manier om het vermogen goedkoop en efficiënt na te bootsen, heeft ingenieurs tientallen jaren in verwarring gebracht.
Bladeren die niet groen zijn: Silicium bekleed met goedkope katalysatoren splitst water in waterstof en zuurstof in een verlichte bak met water.
Nu hebben onderzoekers een stap gezet in de richting van deze ongrijpbare prestatie, met een apparaat dat nog efficiënter is dan natuurlijke fotosynthese en vertrouwt op goedkope, overvloedige materialen.
Conventionele zonnecellen produceren elektriciteit wanneer een fotovoltaïsch materiaal wordt blootgesteld aan licht. Het nieuwe apparaat gaat nog een stap verder en gebruikt de resulterende elektriciteit om water te splitsen in waterstof en zuurstof, die kunnen worden opgeslagen en gebruikt om elektriciteit op te wekken via een brandstofcel.
Het nieuwe apparaat bevindt zich nog in de vroege laboratoriumontwikkeling en er blijven aanzienlijke uitdagingen voordat het op de markt kan worden gebracht.
Daniel Nocera , een professor aan het MIT, onthulde voorlopige details van het apparaat, dat hij het eerste praktische kunstmatige blad noemt, op de nationale bijeenkomst van de American Chemical Society in Californië op 27 maart. Het apparaat combineert een in de handel verkrijgbare zonnecel met een paar goedkope katalysatoren gemaakt van kobalt en nikkel die water splitsen in zuurstof en waterstof. Met deze aanpak kan een zonnepaneel van ongeveer een vierkante meter badend in water genoeg waterstof produceren om een huis in een ontwikkelingsland zowel overdag als 's nachts van elektriciteit te voorzien, zegt Nocera.
Met behulp van een dunne-film silicium zonnecel die de energie in licht omzet met 7 procent efficiëntie, zegt Nocera dat zijn groep 5 procent efficiëntie behaalde voor de omzetting van zonlicht in waterstof. Natuurlijke fotosynthese is minder dan 1 procent efficiënt in het omzetten van zonlicht in energie.
Het apparaat is niet de eerste die probeert de natuurlijke fotosynthese te verbeteren. Het biedt echter duidelijke voordelen ten opzichte van eerdere apparaten, die ofwel kostbare edelmetaalkatalysatoren gebruikten om water in waterstof en zuurstof te splitsen, of de watersplitsing indirect uitvoerden met een afzonderlijk apparaat, dat minder efficiënt en duurder is.
Het apparaat van Nocera is het eerste dat goedkope en overvloedige katalysatormaterialen gebruikt die in de zonnecel zijn verwerkt. Je hebt gewoon een stuk silicium bedekt met katalysatoren dat je in een glas water kunt doen, en het begint het water te splitsen in waterstof en zuurstof, zegt hij.
Het apparaat is mogelijk gemaakt door verschillende recente ontwikkelingen. Nocera ontwikkelde in 2008 voor het eerst een kobaltkatalysator die in staat is zuurstof uit water te splitsen, maar de katalysator kon niet rechtstreeks op silicium worden aangebracht omdat het inkomend zonlicht zou blokkeren. Voor zijn nieuwe apparaat bracht Nocera een dunne film van kobalt aan op het silicium dat slechts 2 tot 3 procent van het invallende licht blokkeert. Voordat hij de katalysator aanbracht, bekleedde hij het silicium met een dun membraan dat het beschermt tegen oxidatie maar elektrische stroom doorlaat.
Een nieuwe op nikkel gebaseerde katalysator die ook recentelijk door Nocera is ontwikkeld, wordt aan de andere kant van het silicium aangebracht om waterstof uit water te splitsen. De nikkelkatalysatoren die al worden gebruikt in andere watersplitsingsinrichtingen, bekend als elektrolyzers, zouden snel onbruikbaar worden door fosfaat en boraat dat in het water aanwezig is. De resultaten van de eerste tests van het apparaat zijn ingediend voor publicatie. Ze laten zien dat het minstens zes dagen kan werken zonder verlies van efficiëntie, zegt Nocera.
John Turner , een onderzoeker van het National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, zegt dat de mogelijkheid om een vrijwel transparante kobaltkatalysator te gebruiken een belangrijke vooruitgang is, en de gerapporteerde efficiëntie is veelbelovend. Hij haalt de meeste efficiëntie uit de cel, zegt Turner. Als hij [begint met] een cel van 11 of 12 procent, die in de handel verkrijgbaar is, zou hij veel beter moeten kunnen. Maar we zouden moeten zien wat hij kan doen als hij eenmaal een betere cel heeft.
Volgens Turner zal Nocera echter aanzienlijk langere looptijden moeten aantonen - tienduizenden uren. Ze hebben misschien de duurzaamheid, maar ze moeten het blijven laten zien, zegt hij.
Zon Catalytix , een bedrijf opgericht door Nocera, gaat nu samenwerken met de Indiase industriële gigant Tata om de technologie voor residentieel gebruik in ontwikkelingslanden te commercialiseren. De bedrijven werken al samen om een ander apparaat voor kunstmatige fotosynthese te ontwikkelen dat eerder door Nocera is ontwikkeld. Dit eerste apparaat is gebaseerd op een zonnepaneel van 100 watt en vereist een afzonderlijke elektrolyser die met draden op het paneel is aangesloten. Het zou voor ongeveer $ 100 moeten verkopen.
Het apparaat zou ook moeten worden gekoppeld aan een brandstofcel om opgeslagen waterstof om te zetten in elektriciteit. Nocera zegt dat hij hoopt dit eerste op zonne-energie werkende waterstofproducerende apparaat eind 2011 aan Tata te kunnen leveren. Het nieuwe kunstmatige blad zou goedkoper moeten zijn, maar het zou nog twee en een half jaar kunnen duren voordat een commercieel prototype klaar zou zijn. zegt Nocera.
James Stevens, een research fellow bij Dow Chemical, zegt dat de technologie nog een lange weg te gaan heeft. Er moet nog veel gebeuren voordat dit praktisch kan zijn, zegt hij. De efficiëntie is laag en de kapitaalkosten van deze dingen zijn erg hoog.
Andere praktische zaken, zoals het veilig opslaan van waterstofgas en het voorkomen dat het systeem bevriest bij temperaturen onder het vriespunt, zijn ook belangrijke uitdagingen, zegt Stevens. We zijn niet echt geïnteresseerd in de stand van de techniek zoals die nu is, zegt hij.