Siliciumcarbide verbetert als kandidaat voor waterstoffotocatalyse

Waarom waterstof essentieel is voor decarbonisatie

Naarmate de zoektocht naar het decarboniseren van onze energiesystemen voortduurt, wordt duidelijk dat sommige processen meer nodig hebben dan alleen groene elektriciteit. Dit is mogelijk waar voor transport, vooral zware taken zoals bussen en vrachtwagens, zeker waar voor scheepvaart en luchtvaart, en even noodzakelijk voor zware industrieën zoals staalproductie en chemische productie.

De reden is dat sommige toepassingen ofwel zeer hete verbranding nodig hebben (metaalindustrie), de levering van energierijke waterstofatomen zonder methaan (chemische industrie), of een zeer energierijke brandstof (scheepvaart), waarvoor elektrische stroom en batterijen gewoonweg niet geschikt zijn.

“Personenauto’s kunnen een batterij hebben, maar zware vrachtwagens, schepen of vliegtuigen kunnen geen batterij gebruiken om de energie op te slaan. Voor deze vervoermiddelen moeten we schone en hernieuwbare energiebronnen vinden, en waterstof is een goede kandidaat.”

Jianwu Sun – Universitairhoofddocent aan de Linköping Universiteit

Daarom hebben onderzoekers en klimaatactivisten groen waterstof, geproduceerd zonder fossiele brandstoffen, als alternatief overwogen. Het probleem is echter dat de productie van groen waterstof tot nu toe te duur is geweest om massale adoptie ten opzichte van fossiele brandstoffen mogelijk te maken.

Hoe de uitdaging van groene waterstofproductie op te lossen

Tot nu toe werken de meeste methoden om waterstof te produceren volgens een 2‑stappenmethode:

1. Eerst groene energie produceren met zonne‑, wind‑, waterkracht of een andere vorm van hernieuwbare energie.
2. Vervolgens deze groene elektriciteit gebruiken om de katalyse van water naar waterstof aan te drijven.

Het probleem daarmee is dat elk meerstappenproces per definitie minder efficiënt is.

Bijvoorbeeld, zonlicht wordt door zonnepanelen omgezet in stroom met slechts een rendement van 20‑25 %; vervolgens wordt de stroom getransporteerd naar een waterstofkatalysator, die zelf een relatief laag rendement heeft. Uiteindelijk ligt het totale rendement van zonne‑energie naar waterstof waarschijnlijk in de lage eencijferige percentages.

En er is de kwestie van kosten. De katalysator verbruikt waarschijnlijk zeldzame metalen zoals platina of palladium. De productie van hernieuwbare energie gebruikt ook zeldzame materialen zoals zilver, en de transmissie van stroom van de zonne‑farm naar de katalysator vereist vaak enorme investeringen.

Ten slotte vereisen de meeste waterstofproducerende katalysatoren een stabiel niveau van elektrische stroom, wat betekent dat grote batterijsystemen moeten worden toegevoegd als extra componenten aan de benodigde infrastructuur.

Er worden veel mogelijke benaderingen onderzocht om dit op te lossen. Bijvoorbeeld, we bespraken eerder:

• Gebruik van verschillende materialen voor waterstofproductie, zoals wolfraam-kobalt of nikkel.
• Gebruik van schrootmetaal uit de bewerking van platina en kobalt.
• Creëren van een kunstmatig fotosyntheseproces met ruthenium‑nanodeeltjes.

Elk van deze methoden zou uiteindelijk kunnen leiden tot goedkopere katalysatoren die geen dure hoeveelheid nieuw platina nodig hebben om waterstof te produceren.

Maar een nieuwe benadering is directe fotocatalyse, of de omzetting van water in waterstof direct uit de energie van zonlicht, zonder eerst om te zetten in elektrische stroom. Directe fotocatalyse kan niet alleen de noodzaak van meerdere stappen wegnemen, maar gebruikt ook eenvoudigere en minder zeldzame materialen om groene energieopwekking en infrastructuren op te bouwen.

Dit is de aanpak die wordt gepromoot door onderzoekers van de Linköping Universiteit (Zweden), Kyushu Universiteit (Japan), MAX IV Laboratorium (Zweden) en Dalian University of Technology (China). Zij publiceerden hun laatste voortgang in het Journal of the American Chemical Society¹ onder de titel “Manipulating Electron Structure through Dual-Interface Engineering of 3C-SiC Photoanode for Enhanced Solar Water Splitting”.

Siliciumcarbide voor fotocatalyse

Hoe siliciumcarbide directe fotocatalyse mogelijk maakt

Dit onderzoeksteam heeft eerder gewerkt met een materiaal dat kubisch siliciumcarbide (3C‑SiC) wordt genoemd.

Bron: RRL Solar

Het materiaal kan effectief zonlicht opvangen voor waterstofproductie via de fotochemische waterstofsplitsingsreactie.

Bron: RRL Solar

Wanneer zonlicht op het materiaal valt, worden elektrische ladingen gegenereerd (zoals in een polysiliciumzonnepaneel), die vervolgens worden gebruikt om water te splitsen.

Een uitdaging bij de ontwikkeling van materialen voor deze toepassing is te voorkomen dat de positieve en negatieve ladingen weer samenkomen en elkaar neutraliseren.

Dus, om het splitsen van water in waterstof effectiever te maken, is het belangrijk de elektrische ladingen gescheiden te houden.

Nieuw drielaags siliciumcarbide katalysatorontwerp

De onderzoekers combineerden een laag kubisch siliciumcarbide met twee andere lagen, waarbij nikkelhydroxide (Ni(OH)2) en kobaltoxiden (Co3O4) werden gebruikt.

Het team had eerder de productie van kubisch siliciumcarbide geperfectioneerd met de sublimatietechniek, waarbij de kwaliteit van het kristal werd bevestigd met röntgendiffractie (XRD).

Bron: Journal of the American Chemical Society

Ze bevestigden ook dat de interface tussen de lagen de levensduur van de elektrische ladingen verlengde, waardoor de kans groter werd dat de elektronen werden gebruikt door chemische reacties die water in waterstof en zuurstof splitsen.

“Het is een zeer complexe structuur, dus onze focus in deze studie lag op het begrijpen van de functie van elke laag en hoe deze bijdraagt aan het verbeteren van de eigenschappen van het materiaal.

Het nieuwe materiaal heeft acht keer betere prestaties dan puur kubisch siliciumcarbide voor het splitsen van water in waterstof.

Jianwu Sun – Universitairhoofddocent aan de Linköping Universiteit

Volgende stappen voor het verbeteren van fotocatalyse‑efficiëntie

Tot nu toe heeft siliciumcarbide‑fotocatalyse slechts een energetisch rendement van 1‑3 % kunnen bereiken.

De aanwezigheid van een “P‑type” laag van kobaltoxide onder structuren van nikkelhydroxide versnelt de beweging van elektronen, waardoor de productie van waterstof wordt versneld.

Bron: Journal of the American Chemical Society

Hoewel het nog niet daar is, schatten de onderzoekers dat dit aanzienlijk kan worden verbeterd met hun methode.

Uiteindelijk wordt een rendement van >10 % verwacht, zonder dat er platina of palladium nodig is, noch een uitgebreide infrastructuur of een continue stroomvoorziening, waarbij de productie van waterstof direct plaatsvindt zodra de zon op het apparaat schijnt.

Investeren in siliciumcarbide‑bedrijven

ON Semi

ON Semi is een halfgeleiderbedrijf dat zich specialiseert in elektrificatie, inclusief in de automobielsector, maar ook in andere sectoren zoals zonne‑energie, batterijen, lucht‑ en ruimtevaart, telecommunicatie, datacenters en medische toepassingen.

Als zodanig is het een belangrijke partner voor veel van de grootste industriële bedrijven ter wereld.

Bron: ON Semi

Een groot deel van ON Semi’s technologische voordeel is gebaseerd op siliciumcarbide, een type silicium‑koolstofverbinding die wordt gebruikt voor hoogenergetische elektrische systemen. Ze maken met name zeer hoge vermogensbelastingen mogelijk die nodig zijn voor het snel opladen van elektrische voertuigen.

Siliciumcarbide is recentelijk door onderzoekers gebruikt om halfgeleidende grafeen te ontwikkelen, zoals besproken in ons artikel “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?” en zoals hier ook wordt besproken heeft het potentieel voor waterstofproductie.

ON Semi’s strategie om zich nog meer op siliciumcarbide te richten heeft ertoe geleid dat het bedrijf de afgelopen jaren een omzetstijging heeft gezien, aangedreven door de EV‑revolutie.

Bron: ON Semiconductor

Steeds krachtigere en efficiëntere batterijen en elektrische systemen die siliciumcarbide gebruiken, worden steeds belangrijker in de wereldwijde toeleveringsketen. Als leider in de sector zal ON Semi waarschijnlijk sterk profiteren van de elektrificatietrend, met name EV’s en andere groene energieën.

(U kunt ook een langer artikel over dit bedrijf lezen in “On Semiconductor (ON): Silicon Carbide Powering Electrification”.)

Laatste ON Semi (ON) aandelen‑nieuws en ontwikkelingen

Gerefereerde studie

^{1. Hui Zeng, et al. (2025) Manipulating Electron Structure through Dual-Interface Engineering of 3C-SiC Photoanode for Enhanced Solar Water Splitting. Journal of the American Chemical Society Vol 147/Issue 17. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04005}