Waterstofenergie uit zonlicht creëren – Fotocatalytische splitsing

Wetenschappers van de Tohoku University en andere toonaangevende instellingen hebben onlangs een fotocatalytisch waterstofsplitsingsproces onthuld dat de waterstofproductie zou kunnen revolutioneren. De nieuwe aanpak maakt gebruik van zonne‑energie om de waterstofelektrolyse te ondersteunen, waarbij water wordt gesplitst in waterstof‑ en zuurstofmoleculen. Hierdoor kan het potentieel de sector voor schone energie revolutioneren en de deur openen naar een dieper begrip van fotocatalytische mogelijkheden.

Hoe fotocatalyse werkt

Fotocatalyse treedt op wanneer UV‑licht wordt gebruikt om andere katalysatoren te activeren, wat een chemisch proces in gang zet. Het is een veelgebruikte strategie onder wetenschappers die een schonere start van processen biedt en geen extra katalysatoren in de beginfase vereist. In de meeste gevallen absorbeert de katalysator de UV‑energie totdat deze de activeringsfase bereikt. Opmerkelijk is dat titaan(IV)-oxide (TiO2) de meest stabiele en actieve fotocatalysator is die momenteel wordt gebruikt.

Huidige beperkingen in fotocatalytische systemen

Er moet nog veel onderzoek en ontwikkeling worden gedaan met betrekking tot het gebruik van fotocatalytische processen. Enkele beperkingen van de wetenschap omvatten een lage efficiëntie en snelle recombinatie van elektronen‑gaten. Laatstgenoemde leidt tot verminderde prestaties en extra afval.

Fotocatalytische waterstofproductie: Een overzicht

Een interessant toepassingsgebied waar fotocatalyse zijn plaats heeft gevonden, is waterstofsplitsing. Wetenschappers hebben opgemerkt dat door zonlicht te gebruiken om watermoleculen te splitsen in waterstof en zuurstof, ze een schone energiebron kunnen creëren die wereldwijd gemakkelijk beschikbaar is en kan opschalen om te voldoen aan de behoeften van de gemeenschap.

Studieoverzicht: Janus-heterobilayers in actie

De studie¹, “Rational Design 2D Heterobilayers Transition-Metal Dichalcogenide and Their Janus for Efficient Water Splitting“, onderzoekt het gebruik van fotocatalysatoren in waterstofelektrolyse. De studie gaat diep in op hoe de fotocatalytische prestaties kunnen worden verbeterd, waarbij unieke materiaalsamenstellingen, waaronder Janus-heterobilayers, worden verkend.

De rol van Janus-heterobilayers bij waterstofsplitsing

Janus-heterobilayers zijn 2D-structuren die unieke kenmerken hebben op basis van hun positionering. Ze worden gecreëerd met behulp van meerdere materiaalcombinaties, die intrinsieke dipolen en sterke interne elektrische velden kunnen benutten. Opmerkelijk is dat er bijna onbeperkt veel combinaties mogelijk zijn. Voor deze studie richtte het team zich echter op Janus‑transition‑metal dichalcogenide (TMDC) heterobilayers.

Bron – Tohoku University

Dichtheidsfunctionele Theorie (DFT)

De onderzoekers maakten gebruik van dichtheidsfunctionele theorie (DFT)-berekeningen om de ideale atomaire rangschikkingen te bepalen. De modellen stelden het team in staat om versterkingen van elektrische velden te identificeren, waardoor ze cruciale gegevens konden volgen, waaronder ladingsmobiliteit, oppervlaktechemie, bandgaten en de uitlijning van synthetische en interne elektrische velden.

Materiaalcombinaties testen op efficiëntie

De wetenschapper selecteerde 20 optimale combinaties voor testing. Vervolgens maakten ze gebruik van het Fröhlich-interactiemodel om een dieper inzicht te krijgen in hoe fononverstrooiing en andere processen de fotocatalytische prestaties beïnvloeden.

Belangrijkste bevindingen: WS₂–SMoSe behaalt 16.62% efficiëntie

Na het testen van de 20 opties konden de wetenschappers de elektronische en structurele eigenschappen van 2D-materialen optimaliseren om een ideale oplossing te creëren. Opmerkelijk is dat het team vaststelde dat de WS₂‑SMoSe-heterobilayer de beste resultaten leverde. Het materiaal toonde een zonne‑naar‑waterstof conversie‑efficiëntie van 16,62% aan, wat ver boven eerdere alternatieven ligt.

Waarom fotocatalytische waterstof belangrijk is voor schone energie

De voordelen van de schone waterstofstudie zijn onmiskenbaar. Ten eerste biedt deze technologie een duidelijkere weg naar de productie van schone energie, waardoor de uitstoot van broeikasgassen wordt verminderd en de opwarming van de aarde wordt vertraagd. Het gebruik van zonne‑energie om het proces aan te drijven is een uitstekend voorbeeld van het benutten van één schone energiebron om een andere te creëren.

Toepassingen in de praktijk en tijdlijn voor implementatie

Er zijn verschillende toepassingen voor deze technologie. Ten eerste zou het in de toekomst kunnen worden gebruikt om uw huis of voertuigen van stroom te voorzien. Er zijn al talloze waterstof‑aangedreven opties. In het verleden was het echter niet veilig voor de gemiddelde persoon om waterstof te verkrijgen. Deze nieuwste upgrade kan de deur openen naar goedkope, door zonlicht geïnitieerde elektrolyse die aansluit bij het wereldwijde doel om vervuiling te verminderen en energie‑onafhankelijkheid te vergroten.

Er zijn nog geen specifieke gegevens gegeven over wanneer deze technologie op de markt zal verschijnen. Het is echter een veilige gok dat het nog 5‑10 jaar zal duren voordat u uw auto kunt aandrijven met waterstof van uw eigen zonne‑boerderij en een interne elektrolysemachine. Deze tijdlijn kan worden verkort naarmate de vraag naar schone energie blijft groeien.

Fotocatalytische waterstofsplitsingsonderzoekers

De studie over fotocatalytische waterstofsplitsing werd georganiseerd door de Tohoku University en de University of Science, Vietnam National University – Ho Chi Minh City (VNU‑HCM). Deze studie vermeldt Nguyen Tuan Hung als hoofdauteur en Vu Thi Hanh Thu als co‑auteur. Daarnaast toont de studie aan dat Nguyen Tran Gia Bao, Ton Nu Quynh Trang, Nam Thoai en Thang Bach Phan hebben bijgedragen aan dit baanbrekende onderzoek.

Wat staat er op de agenda voor fotocatalytische waterstoftechnologie?

Er moet nog veel onderzoek worden gedaan naar het creëren van het ideale fotocatalytische systeem. De ingenieurs zullen nu proberen het proces gemakkelijker en toegankelijker voor het publiek te maken. Deze stappen omvatten het verkleinen van het systeem en het maken ervan draagbaar, gebruiksvriendelijk en integreerbaar in een gemiddeld huishouden.

Investeren in de waterstofbrandstofsector

Er zijn verschillende bedrijven die concurreren in de miljarden‑dollar waterstofbrandstofsector, die naar verwachting zal groeien tot $40,39 mrd tegen 2025. Deze bedrijven bieden een scala aan diensten, van geproduceerde waterstof tot on‑site systemen, automotoren en nog veel meer. Hier is één bedrijf dat erin geslaagd is een niche in de markt te veroveren en een gerespecteerde concurrent te blijven.

Plug Power

Power Plug (PLUG ) betrad de markt in 1997 nadat DTE Energy (DTE ) en Mechanical Technology Inc. hun krachten bundelden om hoogwaardige waterstofbrandstofcelsystemen op de markt te brengen. Het bedrijf heeft momenteel zijn hoofdkantoor in Latham, New York, en heeft +3,400 werknemers.

Sinds de lancering heeft Power Plug aanzienlijke marktvoorsprong genomen. Het was de eerste waterstofsysteemfabrikant die commerciële brandstofcelsystemen aan EU‑klanten aanbood. Bovendien heeft het het gebruik van waterstofmotoren in de vrachtwagenindustrie gepionierd. Al deze factoren weerspiegelen het doel van het bedrijf om variabele schone‑energieoplossingen te bieden.

Power Plug is ideaal gepositioneerd om marktaandeel te veroveren nu de internationale gemeenschap zich heeft gecommitteerd om de komende decennia de fossiele brandstoffen aanzienlijk te verminderen. Hierdoor zou het enorm kunnen profiteren als het een fotocatalytisch waterstofsplitsingssysteem aan het publiek zou uitbrengen in de komende jaren.

Laatste Plug Power (PLUG) aandelennieuws en ontwikkelingen

Fotocatalytische waterstofsplitsing  – Schone waterstof is onderweg

De studie over fotocatalytische waterstofsplitsing vertegenwoordigt een verschuiving naar het benutten van meerdere schone‑energiestrategieën om meer energieopwekking te realiseren. Je moet dit team van ingenieurs loven voor het uitbreiden van het begrip van fotocatalytische processen en het aantonen hoe zij de deur openen naar een nieuw tijdperk in waterstofproductie.

Leer meer over andere ontwikkelingen in schone energie hier.

Gerefereerde studies:

^{1. Bao, N. T. G., Trang, T. N. Q., Thoai, N., Phan, T. B., Thu, V. T. H., & Hung, N. T. (2025). Rational design 2D heterobilayers transition-metal dichalcogenide and their Janus for efficient water splitting. ACS Applied Energy Materials, 8(8), 5209–5221. https://doi.org/10.1021/acsaem.5c00175}