Zon + Water = Brandstof

Ik ga je iets laten zien dat ik nog niemand heb laten zien, zei Daniel Nocera, een professor in de chemie aan het MIT, in mei in een auditorium vol wetenschappers en energiefunctionarissen van de Amerikaanse regering. Hij vroeg de huismanager om de lichten uit te doen. Toen begon hij een video. Kan je dat zien? vroeg hij opgewonden, wijzend naar de bellen die opstijgen uit een strook materiaal ondergedompeld in water. Zuurstof stroomt van deze elektrode af. Toen voegde hij er enigszins cryptisch aan toe: Dit is de toekomst. We hebben het blad.

Blad afgunst: MIT-chemicus Daniel Nocera heeft de stap in de fotosynthese nagebootst waarbij groene planten water splitsen.

Wat Nocera aantoonde, was een reactie die zuurstof uit water genereert, net zoals groene planten doen tijdens fotosynthese - een prestatie die ingrijpende gevolgen zou kunnen hebben voor het energiedebat. Uitgevoerd met behulp van een door hem ontwikkelde katalysator, is de reactie de eerste en moeilijkste stap bij het splitsen van water om waterstofgas te maken. En het efficiënt opwekken van waterstof uit water, meent Nocera, zal helpen een van de belangrijkste obstakels te overwinnen die voorkomen dat zonne-energie een dominante bron van elektriciteit wordt: er is geen kosteneffectieve manier om de energie die door zonnepanelen wordt verzameld op te slaan, zodat het kan worden gebruikt bij nacht of tijdens bewolkte dagen.

Zonne-energie heeft een uniek potentieel om enorme hoeveelheden schone energie op te wekken die niet bijdraagt ​​aan de opwarming van de aarde. Maar zonder een goedkope manier om deze energie op te slaan, kan zonne-energie fossiele brandstoffen niet op grote schaal vervangen. In het scenario van Nocera zou zonlicht water splitsen om veelzijdige, gemakkelijk op te slaan waterstofbrandstof te produceren die later zou kunnen worden verbrand in een verbrandingsgenerator of opnieuw gecombineerd met zuurstof in een brandstofcel. Nog ambitieuzer, de reactie zou kunnen worden gebruikt om zeewater te splitsen; in dat geval zou het door een brandstofcel laten lopen van de waterstof zowel vers water als elektriciteit opleveren.

Het opslaan van energie van de zon door fotosynthese na te bootsen is iets wat wetenschappers sinds het begin van de jaren zeventig proberen te doen. Ze hebben met name geprobeerd de manier na te bootsen waarop groene planten water afbreken. Chemici kunnen natuurlijk al water splitsen. Maar het proces vereist hoge temperaturen, agressieve alkalische oplossingen of zeldzame en dure katalysatoren zoals platina. Wat Nocera heeft bedacht, is een goedkope katalysator die zuurstof uit water produceert bij kamertemperatuur en zonder bijtende chemicaliën - dezelfde goedaardige omstandigheden die in planten worden aangetroffen. Verschillende andere veelbelovende katalysatoren, waaronder een andere die Nocera heeft ontwikkeld, zouden kunnen worden gebruikt om het proces te voltooien en waterstofgas te produceren.

multimedia

• Daniel Nocera beschrijft de uitdagingen van kunstmatige fotosynthese in een lezing voorafgaand aan zijn recente opmars.

Nocera ziet twee manieren om te profiteren van zijn doorbraak. In het eerste geval zou een conventioneel zonnepaneel zonlicht opvangen om elektriciteit te produceren; op zijn beurt zou die elektriciteit een apparaat aandrijven dat een elektrolyse wordt genoemd, dat zijn katalysatoren zou gebruiken om water te splitsen. De tweede benadering zou een systeem gebruiken dat de structuur van een blad beter nabootst. De katalysatoren zouden zij aan zij worden ingezet met speciale kleurstofmoleculen die zijn ontworpen om zonlicht te absorberen; de energie die door de kleurstoffen wordt opgevangen, zou de watersplitsingsreactie aandrijven. Hoe dan ook, zonne-energie zou worden omgezet in waterstofbrandstof die gemakkelijk kan worden opgeslagen en 's nachts of wanneer dat nodig is, kan worden gebruikt.

Nocera's gedurfde beweringen over het belang van zijn opmars zijn van het soort dat academische chemici meestal niet durven te maken in het bijzijn van hun collega's. Inderdaad, een aantal experts hebben zich afgevraagd hoe goed zijn systeem kan worden opgeschaald en hoe economisch het zal zijn. Maar Nocera vertoont geen tekenen van terugtrekken. Met deze ontdekking verander ik de dialoog volledig, vertelde hij het publiek in mei. Alle oude argumenten verdwijnen uit het raam.

De donkere kant van zonne-energie
Zonlicht is 's werelds grootste potentiële bron van hernieuwbare energie, maar dat potentieel kan gemakkelijk niet worden gerealiseerd. Niet alleen werken zonnepanelen 's nachts niet, maar de productie overdag neemt toe en neemt af naarmate de wolken boven hun hoofd trekken. Dat is de reden waarom tegenwoordig de meeste zonnepanelen - zowel die in zonneparken die door nutsbedrijven zijn gebouwd als die op de daken van huizen en bedrijven - zijn aangesloten op het elektriciteitsnet. Op zonnige dagen, wanneer zonnepanelen op piekvermogen werken, kunnen huiseigenaren en bedrijven hun overtollige stroom verkopen aan nutsbedrijven. Maar over het algemeen zijn ze 's nachts of wanneer wolken de panelen verduisteren, op het net aangewezen.

Dit systeem werkt alleen omdat zonne-energie zo'n kleine bijdrage levert aan de totale elektriciteitsproductie: het voldoet aan een kleine fractie van 1 procent van de totale vraag in de Verenigde Staten. Naarmate de bijdrage van zonne-energie groeit, zal de onbetrouwbaarheid ervan een steeds groter probleem worden.

Als zonne-energie voldoende groeit om slechts 10 procent van de totale elektriciteit te leveren, zullen nutsbedrijven moeten beslissen wat ze moeten doen als wolken binnenkomen tijdens pieken in de vraag, zegt Ryan Wiser, een onderzoekswetenschapper die elektriciteitsmarkten bestudeert aan het Lawrence Berkeley National Laboratory. in Berkeley, Californië. Ofwel zullen nutsbedrijven extra aardgascentrales moeten exploiteren die snel kunnen opstarten om het verloren vermogen te compenseren, of ze zullen moeten investeren in energieopslag. De eerste optie is momenteel goedkoper, zegt Wiser: Elektrische opslag is gewoon te duur.

Maar als we rekenen op zonne-energie voor meer dan ongeveer 20 procent van de totale elektriciteit, zegt hij, zal het gaan bijdragen aan het zogenaamde basislastvermogen, de hoeveelheid stroom die nodig is om aan de minimale vraag te voldoen. En het basislastvermogen (dat nu grotendeels door kolencentrales wordt geleverd) moet met een relatief constant tempo worden geleverd. Zonne-energie kan alleen voor dit doel worden gebruikt als het op grote schaal kan worden opgeslagen voor gebruik 24 uur per dag, bij goed en slecht weer.

Kortom, wil zonne-energie een primaire bron van elektriciteit worden, dan zijn er enorme hoeveelheden betaalbare opslag nodig. En de huidige opties voor het opslaan van elektriciteit zijn gewoon niet praktisch genoeg op een voldoende grote schaal, zegt Nathan Lewis, hoogleraar scheikunde aan Caltech. Neem een ​​van de minst dure methoden: elektriciteit gebruiken om water bergopwaarts te pompen en het water vervolgens door een turbine laten lopen om later elektriciteit op te wekken. Een kilo water dat 100 meter omhoog wordt gepompt, slaat ongeveer een kilojoule energie op. Ter vergelijking: in een kilo benzine wordt ongeveer 45.000 kilojoule opgeslagen. Om op deze manier voldoende energie op te slaan, zouden enorme dammen en enorme reservoirs nodig zijn die elke dag zouden worden geleegd en gevuld. En probeer daarvoor voldoende water te vinden in plaatsen als Arizona en Nevada, waar het zonlicht bijzonder overvloedig is.

Batterijen zijn daarentegen duur: ze kunnen $ 10.000 toevoegen aan de kosten van een typisch zonnestelsel voor thuis. En hoewel ze verbeteren, slaan ze nog steeds veel minder energie op dan brandstoffen zoals benzine en waterstof in de vorm van chemische bindingen. De beste batterijen slaan ongeveer 300 wattuur per kilogram op, zegt Lewis, terwijl benzine 13.000 wattuur per kilogram opslaat. De cijfers maken duidelijk dat chemische brandstoffen de enige energierijke manier zijn om massale energieopslag te verkrijgen, zegt Lewis. Van die brandstoffen is waterstof niet alleen potentieel schoner dan benzine, maar in gewicht slaat het veel meer energie op - ongeveer drie keer zoveel, hoewel het meer ruimte in beslag neemt omdat het een gas is.

De uitdaging ligt in het gebruik van energie van de zon om dergelijke brandstoffen goedkoop en efficiënt te maken. Dit is waar Nocera's inspanningen om fotosynthese na te bootsen van pas komen.

Fotosynthese in een beker: In een experimentele opstelling die de goedaardige omstandigheden in fotosynthetische planten nabootst, heeft -Daniel ¬Nocera een gemakkelijke en potentieel goedkope manier aangetoond om waterstofgas te produceren. Wanneer een spanning wordt aangelegd, hopen kobalt en fosfaat in oplossing (links) zich op een elektrode op om een ​​katalysator te vormen, die zuurstofgas uit het water vrijmaakt terwijl elektronen door de elektrode naar buiten stromen. Waterstofionen stromen door een membraan; aan de andere kant wordt waterstofgas geproduceerd door een nikkelmetaalkatalysator (Nocera heeft ook een platinakatalysator gebruikt).

Planten imiteren
Bij echte fotosynthese gebruiken groene planten chlorofyl om energie uit zonlicht op te vangen en die energie vervolgens te gebruiken om een ​​reeks complexe chemische reacties aan te drijven die water en kooldioxide omzetten in energierijke koolhydraten zoals zetmeel en suiker. Maar wat veel onderzoekers vooral interesseert, is een vroege stap in het proces, waarbij een combinatie van eiwitten en anorganische katalysatoren helpt om water efficiënt te breken in zuurstof- en waterstofionen.

Het gebied van kunstmatige fotosynthese kende een snelle start. In het begin van de jaren zeventig toonden een afgestudeerde student aan de Universiteit van Tokio, Akira Fujishima, en zijn scriptieadviseur, Kenichi Honda, aan dat elektroden gemaakt van titaniumdioxide, een bestanddeel van witte verf, langzaam water zouden splijten als ze werden blootgesteld aan licht van een heldere , 500 watt xenonlamp. De bevinding stelde vast dat licht kan worden gebruikt om water buiten planten te splitsen. In 1974 toonde Thomas Meyer, een professor in de chemie aan de Universiteit van North Carolina, Chapel Hill, aan dat een op ruthenium gebaseerde kleurstof, bij blootstelling aan licht, chemische veranderingen onderging die het de mogelijkheid gaven om water te oxideren of elektronen eruit te trekken. -de belangrijkste eerste stap bij het splitsen van water.

Uiteindelijk bleek geen van beide technieken praktisch. Het titaniumdioxide kon niet genoeg zonlicht absorberen en de door licht veroorzaakte chemische toestand in Meyer's kleurstof was te voorbijgaand om bruikbaar te zijn. Maar de vooruitgang stimuleerde de verbeeldingskracht van wetenschappers. Je zou vooruit kunnen kijken en zien waar je heen moet en, in ieder geval in principe, de stukjes in elkaar passen, zegt Meyer.

In de komende decennia bestudeerden wetenschappers de structuren en materialen in planten die zonlicht absorberen en zijn energie opslaan. Ze ontdekten dat planten de beweging van watermoleculen, elektronen en waterstofionen, dat wil zeggen protonen, zorgvuldig choreograferen. Maar veel over de precieze mechanismen die daarbij betrokken waren, bleef onbekend. Toen, in 2004, identificeerden onderzoekers van Imperial College London de structuur van een groep eiwitten en metalen die cruciaal is voor het vrijmaken van zuurstof uit water in planten. Ze toonden aan dat het hart van dit katalytische complex een verzameling eiwitten, zuurstofatomen en mangaan- en calciumionen was die op specifieke manieren op elkaar inwerken.

Zodra we dit zagen, konden we beginnen met het ontwerpen van systemen, zegt Nocera, die al sinds 1984 probeerde de chemie achter fotosynthese volledig te begrijpen. Bij het lezen van deze routekaart, zegt hij, ging zijn groep op weg om protonen en elektronen enigszins op de manier te beheren planten doen dat wel, maar gebruiken alleen anorganische materialen, die robuuster en stabieler zijn dan eiwitten.

Aanvankelijk ging Nocera niet de grootste uitdaging aan, namelijk zuurstof uit het water halen. Om onze zijwielen te krijgen, begon hij met de omgekeerde reactie: zuurstof combineren met protonen en elektronen om water te vormen. Hij ontdekte dat bepaalde complexe verbindingen op basis van kobalt goede katalysatoren waren voor deze reactie. Dus toen het tijd werd om water te splitsen, besloot hij soortgelijke kobaltverbindingen te gebruiken.

Nocera wist dat het werken met deze verbindingen in water een probleem kon zijn, omdat kobalt kan oplossen. Het is niet verrassend, zegt hij, dat we binnen enkele dagen beseften dat kobalt uit dit ingewikkelde mengsel viel dat we hadden gemaakt. Omdat zijn eerste pogingen verijdeld waren, besloot hij een andere aanpak te kiezen. In plaats van een complexe verbinding te gebruiken, testte hij de katalytische activiteit van opgelost kobalt, met wat fosfaat toegevoegd aan het water om de reactie te helpen. We zeiden: laten we alle ingewikkelde dingen vergeten en kobalt gewoon direct gebruiken, zegt hij.

Solar gaat solo: Kunstmatige fotosynthese zou een praktische manier kunnen zijn om energie op te slaan die wordt geproduceerd door zonne-energie, waardoor de huizen van mensen worden bevrijd van het elektriciteitsnet. In dit schema drijft elektriciteit van zonnepanelen een elektrolyseur aan, die water in waterstof en zuurstof breekt. De waterstof wordt opgeslagen; 's Nachts of op bewolkte dagen wordt het in een brandstofcel gevoerd om elektriciteit te produceren voor lampen, apparaten en zelfs elektrische auto's. Op zonnige dagen wordt een deel van de zonne-energie direct gebruikt, waarbij de waterstofproductiestap wordt omzeild.

Het experiment werkte beter dan Nocera en zijn collega's hadden verwacht. Toen een stroom werd aangelegd aan een elektrode die in de oplossing was ondergedompeld, verzamelden kobalt en fosfaat zich daarop in een dunne film en binnen enkele minuten begon zich een dichte laag bellen te vormen. Verdere tests bevestigden dat de bellen zuurstof waren die vrijkwamen door het water te splitsen. Hier is het geluk, zegt Nocera. We hadden geen reden om te verwachten dat gewoon kobalt met fosfaat, in plaats van kobalt gebonden in een van onze complexen, zo goed zou werken. Ik had het niet kunnen voorspellen. Het spul dat uit de compound viel, bleek te zijn wat we nodig hadden.

Nu willen we het begrijpen, vervolgt hij. Ik wil weten waarom kobalt in deze dunne film zo actief is. Ik kan het misschien verbeteren of een ander metaal gebruiken dat beter is. Tegelijkertijd wil hij met ingenieurs aan de slag om het proces te optimaliseren en een efficiënte watersplitsende cel te maken, een cel waarin katalysatoren zijn verwerkt om zowel zuurstof als waterstof te genereren. We waren erg geïnteresseerd in de basiswetenschap. Kunnen we een katalysator maken die efficiënt werkt onder de omstandigheden van fotosynthese? hij zegt. Het antwoord is nu ja, dat kunnen we doen. Nu moeten we echt naar de technologie van het ontwerpen van een cel gaan.

Een debat katalyseren
De ontdekking van Nocera heeft veel aandacht gekregen, en niet alles was vleiend. Veel chemici vinden zijn beweringen overdreven; ze betwisten zijn bevindingen niet, maar ze betwijfelen of ze de gevolgen zullen hebben die hij zich voorstelt. De bewering dat dit het antwoord is op kunstmatige fotosynthese is krankzinnig, zegt Thomas Meyer, die een mentor is geweest voor Nocera. Hij zegt dat hoewel de katalysatoren van Nocera technologisch belangrijk kunnen blijken, de vooruitgang een onderzoeksbevinding is en dat er geen garantie is dat het kan worden opgeschaald of zelfs praktisch kan worden gemaakt.

De bezwaren van veel critici draaien om het onvermogen van Nocera's laboratoriumopstelling om water bijna net zo snel te splitsen als commerciële elektrolyzers. Hoe sneller het systeem, hoe kleiner een commerciële eenheid die een bepaalde hoeveelheid waterstof en zuurstof produceert, zou zijn. En kleinere systemen zijn over het algemeen goedkoper.

De manier om verschillende katalysatoren te vergelijken, is door te kijken naar hun stroomdichtheid, dat wil zeggen elektrische stroom per vierkante centimeter, wanneer ze het meest efficiënt zijn. Hoe hoger de stroom, hoe sneller de katalysator zuurstof kan produceren. Nocera rapporteerde resultaten van 1 milliampère per vierkante centimeter, hoewel hij zegt dat hij sindsdien 10 milliampère heeft bereikt. Commerciële elektrolysers werken typisch met ongeveer 1.000 milliampère per vierkante centimeter. Wat hij tot nu toe heeft gepubliceerd, zou in ieder geval nooit werken voor een commerciële elektrolyseur, waar de stroomdichtheid 800 tot 2000 keer groter is, zegt John Turner, een onderzoeker bij het National Renewable Energy Laboratory in Golden, CO.

Andere experts zetten vraagtekens bij het hele principe van het omzetten van zonlicht in elektriciteit, dan in een chemische brandstof en dan weer terug in elektriciteit. Ze suggereren dat, hoewel batterijen veel minder energie opslaan dan chemische brandstoffen, ze toch veel efficiënter zijn, omdat het gebruik van elektriciteit om brandstoffen te maken en het vervolgens gebruiken van de brandstoffen om elektriciteit op te wekken bij elke stap energie verspilt. Het zou volgens hen beter zijn om te focussen op het verbeteren van batterijtechnologie of andere soortgelijke vormen van elektrische opslag, in plaats van op het ontwikkelen van watersplitters en brandstofcellen. Zoals Ryan Wiser het stelt, is elektrolyse [momenteel] inefficiënt, dus waarom zou je het doen?

Het kunstmatige blad
Michael Grätzel kan echter een slimme manier hebben om Nocera's ontdekking praktisch te gebruiken. Als hoogleraar scheikunde en chemische technologie aan de École Polytechnique Fédérale in Lausanne, Zwitserland, was hij een van de eersten die Nocera over zijn nieuwe katalysator vertelde. Hij was zo opgewonden, zegt Grätzel. Hij nam me mee naar een restaurant en kocht een enorm dure fles wijn.

In 1991 vond Grätzel een veelbelovend nieuw type zonnecel uit. Het gebruikt een kleurstof die ruthenium bevat, dat net als het chlorofyl in een plant werkt, licht absorbeert en elektronen vrijgeeft. In de zonnecel van Grätzel brengen de elektronen echter geen watersplitsende reactie teweeg. In plaats daarvan worden ze opgevangen door een film van titaniumdioxide en door een extern circuit geleid, waardoor elektriciteit wordt opgewekt. Grätzel denkt nu dat hij zijn zonnecel en Nocera's katalysator kan integreren in één apparaat dat de energie uit zonlicht opvangt en gebruikt om water te splitsen.

Als hij gelijk heeft, zou het een belangrijke stap zijn in de richting van het maken van een apparaat dat in veel opzichten echt op een blad lijkt. Het idee is dat de kleurstof van Grätzel de plaats zou innemen van de elektrode waarop de katalysator zich vormt in het systeem van Nocera. De kleurstof zelf kan bij blootstelling aan licht de spanning genereren die nodig is om de katalysator te assembleren. De kleurstof werkt als een moleculaire draad die ladingen wegleidt, zegt Grätzel. De katalysator assembleert vervolgens waar het nodig is, precies op de kleurstof. Zodra de katalysator is gevormd, drijft het zonlicht dat door de kleurstof wordt geabsorbeerd de reacties aan die water splitsen. Grätzel zegt dat het apparaat efficiënter en goedkoper zou kunnen zijn dan het gebruik van een apart zonnepaneel en elektrolyse.

Een andere mogelijkheid die Nocera onderzoekt, is of zijn katalysator kan worden gebruikt om zeewater te splitsen. In de eerste tests presteert het goed in de aanwezigheid van zout, en hij test het nu om te zien hoe het omgaat met andere verbindingen die in de zee worden aangetroffen. Als het werkt, kan het systeem van Nocera meer dan alleen de energiecrisis aanpakken; het zou ook kunnen helpen het groeiende tekort aan zoet water in de wereld op te lossen.

Kunstmatige bladeren en brandstofproducerende ontziltingssystemen klinken misschien als grootse beloften. Maar voor veel wetenschappers lijken dergelijke mogelijkheden waanzinnig dichtbij; scheikundigen die op zoek zijn naar nieuwe energietechnologieën worden al tientallen jaren beschimpt door het feit dat planten gemakkelijk zonlicht gebruiken om overvloedige materialen om te zetten in energierijke moleculen. We zien het overal om ons heen gebeuren, maar het is iets dat we niet echt kunnen doen, zegt Paul Alivisatos, een professor in de chemie en materiaalkunde aan de University of California, Berkeley, die een inspanning leidt van het Lawrence Berkeley National Laboratory om te imiteren fotosynthese door chemische middelen.

Maar binnenkort, met gebruikmaking van de eigen blauwdruk van de natuur, zouden mensen de zon kunnen gebruiken om brandstoffen te maken uit een glas water, zoals Nocera het uitdrukt. Dat idee heeft een elegantie die elke chemicus kan waarderen - en mogelijkheden die iedereen hoopvol zou moeten vinden.

Kevin Bullis is Technologie beoordeling ’s Energie-editor.

zich verstoppen