Chinees materiaal versnelt productie van waterstof uit zonlicht duizend keer

Onderzoekers van het Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE), onderdeel van de Chinese Academy of Sciences, hebben een nieuw covalent organisch raamwerk (COF) ontwikkeld dat aanzienlijk beter is in het opwekken van waterstof uit water met zonlicht. Het materiaal zou een belangrijke stap kunnen zijn richting goedkope, schone waterstofproductie zonder fossiele brandstoffen.

Waterstof zonder CO2-uitstoot

Waterstof geldt als veelbelovend alternatief voor fossiele brandstoffen, omdat de verbranding ervan alleen water als bijproduct oplevert. Het probleem is dat de productie van waterstof vandaag de dag vaak nog CO2-intensief is. Een schonere methode is fotokatalytische waterontleding: met zonlicht wordt watermoleculen gesplitst in waterstof en zuurstof. Daarvoor is een lichtgevoelige stof nodig die elektronen in een aangeslagen toestand brengt. Het probleem bij bestaande materialen is dat de elektronen en de 'gaten' die daarbij ontstaan, te snel weer met elkaar versmelten. Daardoor gaat energie verloren en werkt het proces inefficiënt.

Een stevig molecuul als oplossing

Om dat te voorkomen, gebruikten de Chinese onderzoekers een COF: een poreus materiaal opgebouwd uit organische moleculen die stevig aan elkaar vastzitten. In gewone COF's kunnen de verbindingen tussen de bouwstenen nog enigszins bewegen, waardoor energie als warmte wegvloeit. Het team van NIMTE loste dit op door een starre, vlakke chemische verbinding te gebruiken op basis van coumarine, een molecuul dat van nature voorkomt in planten zoals kaneel. Deze schakel houdt de structuur strak en zorgt ervoor dat elektronen zich makkelijker over grotere afstanden door het materiaal kunnen verplaatsen. Vakmensen noemen dit ladingstransport.

Duizend keer langere levensduur

Het resultaat is opvallend: de gescheiden elektrische lading in het nieuwe materiaal blijft duizend keer langer intact dan in vergelijkbare COF's met een minder stugge verbinding. Wanneer de onderzoekers platina-nanodeeltjes toevoegden als hulpkatalysator, sprong een elektron binnen ongeveer 407 picoseconden over naar het platina om daar waterstof te vormen. Onder blauw licht van 440 nanometer haalde het materiaal een waterstofproductie van 531 millimol per gram per uur, met een kwantumopbrengst van bijna 38 procent. Ook onder gewoon zichtbaar licht boven de 420 nanometer bleef de opbrengst hoog, met 166 millimol per gram per uur. Dat laat zien dat het materiaal ook met normaal zonlicht bruikbaar kan zijn, niet alleen met specifieke golflengtes.

Volgens hoogleraar Zhang Tao van NIMTE biedt het onderzoek een eenvoudige en effectieve strategie om de bewegingsvrijheid van lading in COF's te sturen door de chemische schakels te veranderen. De bevindingen, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Synthesis, kunnen volgens hem helpen bij het ontwerpen van krachtigere organische fotokatalysatoren voor waterstofproductie op zonne-energie.