Sponzige nanostructuren van ijzer lijken een geschikt materiaal voor de productie van solar fuels, waarbij zonlicht wordt opgeslagen in chemische bindingen. Onderzoekers van FOM-instituut DIFFER publiceerden vorige maand een interessante techniek om heel beheerst zulke nanosponzen te maken via een bombardement van heliumionen. Vervolgonderzoek moet aantonen of de ijzersponzen efficiënt zonlicht kunnen benutten. De vooruitzichten zijn gunstig.
Bundel heet, dicht heliumplasma.
DIFFER | FOMHet onderzoek van promovenda Irem Tanyeli en haar collega’s past mooi in het portfolio van DIFFER, het Dutch Institute for Fundamental Energy Research. De oorsprong van DIFFER ligt in het Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein, dat vooral gericht was op onderzoek naar kernfusie. Inmiddels dient DIFFER’s fundamentele onderzoek de ontwikkeling van duurzame energie in veel bredere zin.
Tanyeli’s onderzoek naar de nanosponzen legt op een verrassende manier de verbinding tussen het fusieonderzoek en de nieuwe, veelbelovende ontwikkeling van de solar fuels. Dat zijn chemische verbindingen – brandstoffen – waarin zonne-energie is opgeslagen in de vorm van chemische bindingsenergie. Denk bijvoorbeeld aan het benutten van zonlicht voor de productie van waterstof uit water.
Poreuze nanostructuren van metaaloxide lijken voor dat laatste bijzonder geschikt omdat ze zonlicht kunnen opvangen en er vervolgens een elektrische lading mee kunnen genereren. Die kan vervolgens via elektrolyse water splitsen in waterstof en zuurstof. De zonne-energie wordt dan chemisch opgeslagen in het waterstof. En dat is – bijvoorbeeld met brandstofcellen – te benutten op een tijd en plaats die goed uitkomt. Het resultaat is dat de zon als fluctuerende duurzame energiebron toch continu is te benutten in de bestaande energie-infrastructuur.
Makkelijk instelbaar
De link met het fusieonderzoek ligt in DIFFER’s plasma-experimenten Magnum-PSI en Pilot-PSI. Die worden doorgaans gebruikt om wandmaterialen te testen voor toekomstige kernfusiereactoren. Eén van die materialen is het extreem temperatuurbestendige wolfraam. In eerder onderzoek ontdekten Irem Tanyeli en collega’s dat een dicht, relatief koud heliumplasma het oppervlak van wolfraam in ‘nanoschuim’ veranderde.
Een bombardement met heliumplasma geeft wolfraam een schuimachtige structuur
FOM | DIFFERZe zagen ook hoe: ophoping van helium in het metaaloppervlak leidt tot de vorming van bellen, die openbreken in een schuimachtige nanostructuur. Dat proces bleek relatief eenvoudig te beïnvloeden via makkelijk instelbare parameters: de duur van de plasmaontlading en de temperatuur van het wolfraam. Al snel wisten de DIFFER-onderzoekers de vorming van het nanoschuim via het plasma nauwkeurig te beheersen, veel beter dan bij bestaande technieken.
Vingeroefeningen
Tegelijkertijd voerden ze wat vingeroefeningen uit om vast te stellen of het wolfraamschuim in staat was stroom te maken van zonlicht. Via een gecontroleerd oxidatieproces maakten ze er wolfraamoxide van en namen de proef op de som. Het resultaat was verbluffend. Al snel behaalden ze de helft van de stroomsterkte die de koplopers in het onderzoeksveld wisten te produceren.
De conclusie was duidelijk: dit was een veelbelovende onderzoeksrichting. Alleen zat het wolfraam de onderzoekers niet lekker. Wolfraam is immers duur en relatief zeldzaam. Vandaar dat ze overstapten naar ijzer: goedkoop en alom aanwezig.
Schematische weergave van de vervaardiging van sponzige nanostructuren op het oppervlak van een ijzeren trefplaatje via blootstelling aan een heliumplasma.
DIFFER | FOMDe recentelijk in Advanced Materials and Interfaces gepubliceerde resultaten laten zien dat de opschuimtechniek ook bij ijzer goed werkt. Net als bij wolfraam is het vrij eenvoudig het metaal de gewenste nanostructuur te geven.
Belangrijke stap
De volgende stap is om het watersplitsend rendement van het geoxideerde ijzerschuim te bepalen. De verwachtingen zijn hooggespannen: met het wolfraam nanoschuim uit de eerdere experimenten benaderen ze inmiddels de prestaties van andere ‘fotokatalysatoren’. De gerealiseerde fotostroom bedraagt ongeveer 1 mA/cm2 bij 1,23V.
Als het ijzerschuim ook zo goed presteert dan hebben de onderzoekers een belangrijke stap gezet in de ontwikkeling van efficiënte en goedkope fotokatalysatoren.