< Terug naar vorige pagina

Project

Ontwikkeling van foto-elektrochemische cellen voor zonlicht gedreven waterstofproductie met behulp van laag-per-laag depositie en in situ nucleaire magnetische resonantie spectroscopie

Sinds het begin van de industriële revolutie heeft de toegang tot grote hoeveelheden energie de vooruitgang van de mens aangedreven. Na decennia van energie-exploitatie worden nu steenkool, petroleum, aardgas en uranium benut voor energieproductie. Omwille van de bezorgdheid over het milieu en klimaatverandering richt het wetenschappelijk onderzoek zich tegenwoordig op hernieuwbare energiebronnen. Meer dan de helft van de nieuwe stroomcapaciteit wereldwijd wordt aangedreven door waterkracht, zon, wind en geothermische bronnen. In dit werk wordt een strategie onderzocht die hernieuwbare stroom kan aanvullen met hernieuwbare brandstoffen. Die strategie is watersplitsing met behulp van zonlicht.

Bij watersplitsing wordt zonne-energie gebruikt om het watermolecule op te splitsen in zijn onderdelen: waterstof en zuurstof. Waterstof kan gebruikt worden als reducerend agens om andere producten te bekomen, of het kan rechtstreeks als brandstof worden gebruikt waarbij weerom water gevormd wordt. In dit werk wordt een tweecompartimentsreactor gebouwd met een ionenwisselend membraan. Op elke zijde van dit membraan is een koolstofelektrode aangebracht. Een van beide elektrodes is bedekt met titaandioxide halfgeleider en is gericht naar een venster om zonlicht te kunnen opvangen. Fotonen met een energie-inhoud groter dan de bandkloof slaan elektronen aan naar de conductieband, waarbij gaten achterblijven in de valentieband. De gaten bevinden zich op een voldoende positieve potentiaal om water te oxideren, waarbij zuurstofgas en protonen worden gevormd. Het zuurstofgas wordt geëvacueerd en de protonen migreren doorheen het membraan naar de tweede elektrode. De conductieband elektronen bereiken die elektrode via een extern circuit. De elektrode is bedekt met platinakatalysator, die waterstof vormt met behulp van de protonen en elektronen die van de titaandioxide elektrode afkomstig zijn. Het waterstofgas wordt bijgevolg gevormd in een gescheiden compartiment. Het mengen van waterstof- en zuurstofgas wordt voorkomen door het membraan.

Een dergelijke foto-elektrochemische reactor verzorgt tegelijkertijd het transport en de reactie van fotonen, elektronen, ionen en moleculen. Er zijn meerdere reactorontwerpen mogelijk, die alle volgens dezelfde principes functioneren. In Hoofdstuk 1 wordt een overzicht gegeven van de laatste ontwikkelingen op het vlak van foto-elektrochemische reactors. De werkingsprincipes, recente ontwikkelingen en aankomende innovaties worden besproken. Gedurende het afgelopen decennium werd steeds meer aandacht besteed aan geïntegreerde, autonome cellen. Hun ontwerp is geëvolueerd van typische twee- en drie-elektrode laboratoriumopstellingen naar degelijk afgesloten tweecompartimentsreactors met welbepaalde afmetingen, die bovendien geen externe spanningsbron vereisen.

Het monolithische, poreuze geheel dat gebruikt werd in dit werk laat een vrije keuze van omstandigheden toe. Een onvermijdelijke vereiste in elektrochemische cellen is de aanwezigheid van een geleidend pad tussen anode en kathode. Dit komt meestal neer op de aanwezigheid van een vloeibaar elektrolyt met hoge ionische sterkte. In het monolithische geheel vervult het ionenwisselend membraan de rol van vast elektrolyt, met geladen sulfongroepen die aan de polymeerketen zijn verankerd. Een zuivere stroom vloeibaar water, waarin geen zouten opgelost zijn, kan dus gebruikt worden. Het is zelfs mogelijk te werken in gasfase, in totale afwezigheid van een vloeistof. Afhankelijk van de gekozen omstandigheden verandert de stroomrespons van de cel onder belichting. In Hoofdstuk 2 wordt de chronoamperometrische vingerafdruk van de cel geanalyseerd door middel van het systematisch veranderen van de omstandigheden. De geobserveerde effecten kunnen toegeschreven worden aan een capacitieve oplading van de halfgeleider, de concentratietoename en nevenreacties van het gevormde zuurstof- en waterstofgas, uitdroging van het membraan en de opbouw van een protonconcentratiegradiënt.

Uit het onderzoek wordt duidelijk dat foto-elektrochemische cellen complexe systemen zijn die een nauw gestuurd samenspel van alle componenten vereisen. In Hoofdstuk 3 wordt laag-per-laag depositie onderzocht als een mogelijke strategie om dergelijke systemen op te bouwen. Laag-per-laag depositie is een veelzijdige techniek die een goede controle geeft over de soort en de hoeveelheid materiaal die afgezet wordt. Er worden elektrodes gemaakt met een lage massabelading en hoge specifieke activiteit, door titaandioxide nanodeeltjes in te bedden in een polymeermatrix. Hetzelfde type film wordt ook gedemonstreerd voor fotokatalytische afbraak van polluenten.

In Hoofdstuk 4 wordt teruggekeerd naar het oorspronkelijke systeem om een nieuw concept te verkennen: werking in de gasfase, waarbij buitenlucht gebruikt wordt als bron van water. De reactor, geïnstalleerd op een dak, wordt gebruikt voor de allereerste demonstratie van waterstofproductie uit enkel natuurlijk zonlicht en buitenlucht. Daarvoor worden elektrodes gemaakt met behulp van koolstof nanobuisjes en atomaire laagdepositie, zodat een dunnelaagarchitectuur bekomen wordt die inert is ten opzichte van zuurstofgas in de lucht. Het gebruik van lucht opent volkomen nieuwe mogelijkheden voor waterstofproductie met zonlicht. In tegenstelling tot systemen in vloeistoffase veroorzaken gasbellen, vorst, membraanvergiftiging noch corrosie hierbij problemen. Bovendien is er geen zuiver water nodig en slechts een beperkte hoeveelheid randapparatuur. In Hoofdstuk 5 wordt een stand van zaken opgemaakt van foto-elektrochemische watersplitsing en van elektrolyse gedreven door fotovoltaïsche cellen. Het potentieel van luchtgebaseerde watersplitsing voor de foto-elektrochemische aanpak wordt hierbij besproken. Er wordt een model opgesteld dat aantoont dat lucht tienmaal meer vocht bevat dan nodig is voor watersplitsing.

In Hoofdstuk 6 van deze thesis wordt ten slotte bekeken welke rol is weggelegd voor zonnebrandstoffen in een globaal energielandschap. Meer dan de helft van het totale energieverbruik hangt af van brandstoffen en een groot deel hiervan zou voorzien kunnen worden door watersplitsing uit lucht. De productie van zonnebrandstoffen wordt dikwijls voorgesteld in grote centrales in woestijngebied, die permanent bemand zijn door operatoren en waarbij brandstoffen naar eindgebruikers worden getransporteerd via pijpleidingen of tankwagens. In dit werk wordt een tweede type zonnebrandstoffen aan dit portfolio toegevoegd: dat van kleinschaligere, autonome toestellen die waterstof produceren uit zonlicht en lucht die overal rondom ons te vinden zijn.

Datum:10 sep 2012 →  30 sep 2016
Trefwoorden:nuclear magnetic resonance spectroscopy, layer-by-layer deposition, solar hydrogen production, photoelectrochemical cells
Disciplines:Analytische chemie, Macromoleculaire en materiaalchemie
Project type:PhD project