Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Chicago hebben een potentieel baanbrekende zonnecel ontwikkeld die op goedkope en efficiënte wijze kooldioxide uit de atmosfeer direct omzet in bruikbare koolwaterstofbrandstof, waarbij alleen zonlicht voor energie wordt gebruikt.
De bevinding wordt gerapporteerd in het Science-nummer van 29 juli en werd gefinancierd door de National Science Foundation en het Amerikaanse ministerie van Energie. Er is een voorlopige patentaanvraag ingediend.
In tegenstelling tot conventionele zonnecellen, die zonlicht omzetten in elektriciteit die in zware batterijen moet worden opgeslagen, doet het nieuwe apparaat in wezen het werk van planten, waarbij kooldioxide uit de atmosfeer wordt omgezet in brandstof, waardoor twee cruciale problemen in één keer worden opgelost. Een zonnepark met dergelijke ‘kunstmatige bladeren’ zou aanzienlijke hoeveelheden koolstof uit de atmosfeer kunnen verwijderen en op efficiënte wijze energierijke brandstof kunnen produceren.
“De nieuwe zonnecel is niet fotovoltaïsch, maar fotosynthetisch”, zegt Amin Salehi-Khojin, assistent-professor mechanische en industriële techniek bij UIC en senior auteur van het onderzoek.
“In plaats van energie te produceren via een niet-duurzame eenrichtingsroute van fossiele brandstoffen naar broeikasgassen, kunnen we het proces nu omkeren en koolstof uit de atmosfeer recyclen tot brandstof met behulp van zonlicht”, zei hij.
Terwijl planten brandstof produceren in de vorm van suiker, levert het kunstmatige blad syngas, of synthesegas, een mengsel van waterstofgas en koolmonoxide. Syngas kan direct worden verbrand of worden omgezet in diesel of andere koolwaterstofbrandstoffen.
Het vermogen om CO2 in brandstof om te zetten tegen een prijs die vergelijkbaar is met die van een liter benzine, zou fossiele brandstoffen overbodig maken.
Chemische reacties die CO2 omzetten in brandbare vormen van koolstof worden reductiereacties genoemd, het tegenovergestelde van oxidatie of verbranding. Ingenieurs hebben verschillende katalysatoren onderzocht om de CO2-uitstoot te verminderen, maar tot nu toe waren dergelijke reacties inefficiënt en afhankelijk van dure edelmetalen zoals zilver, zei Salehi-Khojin.
“Wat we nodig hadden was een nieuwe familie chemicaliën met buitengewone eigenschappen”, zei hij.
Salehi-Khojin en zijn collega’s concentreerden zich op een familie van nano-gestructureerde verbindingen, transitiemetaaldichalcogeniden (of TMDC’s) genoemd, als katalysatoren, en combineerden ze met een onconventionele ionische vloeistof als elektrolyt in een elektrochemische cel met twee compartimenten en drie elektroden.
De beste van de verschillende katalysatoren die ze bestudeerden, bleek wolfraamdiselenide met nanovlokken te zijn.
Amin Salehi-Khojin, UIC-assistent-professor mechanische en industriële techniek (links), en postdoctoraal onderzoeker Mohammad Asadi met hun baanbrekende zonnecel die koolstofdioxide uit de atmosfeer rechtstreeks omzet in syngas. Krediet: Universiteit van Illinois in Chicago/Jenny Fontaine
“De nieuwe katalysator is actiever; beter in staat de chemische bindingen van koolstofdioxide te verbreken”, zegt UIC-postdoctoraal onderzoeker Mohammad Asadi, eerste auteur van het Science-artikel.
Hij zei dat de nieuwe katalysator zelfs duizend keer sneller is dan edelmetaalkatalysatoren – en ongeveer twintig keer goedkoper.
Andere onderzoekers hebben TMDC-katalysatoren gebruikt om op andere manieren waterstof te produceren, maar niet door reductie van CO2. De katalysator kon de reactie niet overleven.
“De actieve plaatsen van de katalysator raken vergiftigd en geoxideerd”, zei Salehi-Khojin. De doorbraak, zei hij, was het gebruik van een ionische vloeistof genaamd ethyl-methyl-imidazoliumtetrafluorboraat, 50-50 gemengd met water.
“De combinatie van water en de ionische vloeistof vormt een co-katalysator die de actieve plaatsen van de katalysator behoudt onder de zware omstandigheden van de reductiereactie,” zei Salehi-Khojin.
Het UIC-kunstmatige blad bestaat uit twee silicium triple-junction fotovoltaïsche cellen van 18 vierkante centimeter om licht te oogsten; het wolfraamdiselenide en ionische vloeibare co-katalysatorsysteem aan de kathodezijde; en kobaltoxide in kaliumfosfaatelektrolyt aan de anodezijde.
Wanneer licht van 100 watt per vierkante meter – ongeveer de gemiddelde intensiteit die het aardoppervlak bereikt – de cel van energie voorziet, borrelen waterstof- en koolmonoxidegas op uit de kathode, terwijl vrije zuurstof- en waterstofionen worden geproduceerd aan de anode.
“De waterstofionen diffunderen door een membraan naar de kathodezijde, om deel te nemen aan de kooldioxidereductiereactie”, zei Asadi.
De technologie moet niet alleen aanpasbaar zijn voor grootschalig gebruik, zoals zonneparken, maar ook voor kleinschalige toepassingen, aldus Salehi-Khojin. In de toekomst, zei hij, zou het nuttig kunnen zijn op Mars, waarvan de atmosfeer voornamelijk uit koolstofdioxide bestaat, als blijkt dat de planeet ook water bevat.
“Dit werk heeft geprofiteerd van de aanzienlijke geschiedenis van NSF-steun voor fundamenteel onderzoek dat rechtstreeks bijdraagt aan waardevolle technologieën en technische prestaties”, aldus NSF-programmadirecteur Robert McCabe.
“De resultaten combineren experimentele en computationele studies mooi om nieuw inzicht te verkrijgen in de unieke elektronische eigenschappen van overgangsmetaaldichalcogeniden, ” zei McCabe. “Het onderzoeksteam heeft dit mechanistische inzicht gecombineerd met een slimme elektrochemische techniek om aanzienlijke vooruitgang te boeken op een van de grote uitdagingen van de katalyse met betrekking tot energieconversie en het milieu.”
