Onverwachte ontdekking kan groene waterstof veel goedkoper maken en zet huidige methode op losse schroeven
In dit artikel:
Een recent in Nature Communications gepubliceerde studie van een team onder leiding van de University of Jyväskylä laat zien dat goedkope halfgeleiders verrassend efficiënt groene waterstof kunnen produceren, zonder de gebruikelijke dure metalen zoals platina. Het onderzoek combineert geavanceerde simulaties met zeer precies uitgevoerde experimenten om de atomische werking van de reactie op halfgeleider-elektroden te ontrafelen.
Centraal staat titaniumdioxide (TiO2), een veelvoorkomende, stabiele en goedkope halfgeleider. Met een nieuw rekenhulpmiddel — de constant inner potential density functional theory — konden de onderzoekers de elektrodepotentiaal direct meenemen in hun simulaties. Daardoor werd zichtbaar hoe spanningsveranderingen in TiO2-elektroden leiden tot de vorming van zogeheten polarons: lokaal gebonden ladingscentra die optreden in halfgeleiders. Deze polarons blijken zelf de actieve centra te zijn die de waterstofevolutiereactie katalyseren, een mechanisme dat voor metalen elektroden niet eerder is waargenomen.
De theoretische voorspellingen zijn bevestigd met geavanceerde metingen, waaronder foto-elektrochemische Raman-spectroscopie, in situ elektronresonantie en operando foto-elektronspectroscopie. Die experimenten tonen aan dat door het aanleggen van spanning polarons ontstaan die de reactie daadwerkelijk aandrijven.
Belangrijk is dat polaronvorming halfgeleiders in staat stelt beperkingen te omzeilen die metalen katalysatoren tegenhouden — de zogenaamde scaling relations — waardoor nieuwe ontwerpruimte voor efficiëntere katalysatoren ontstaat. Praktische gevolgen zouden kunnen zijn: lagere kosten voor elektrolyse, minder afhankelijkheid van schaarse metalen en nieuwe routes voor zon-gedreven waterstofproductie.
Het werk is nog fundamenteel van aard, maar vormt een stevige basis om halfgeleider-elektroden gericht te ontwerpen. De volgende uitdaging is het vertalen van deze inzichten naar robuuste, schaalbare systemen voor industriële waterstofproductie. Als dat lukt, kan dit onderzoek de ontwikkeling van betaalbare, schaalbare en duurzame groene-waterstoftechnologie aanzienlijk versnellen.