Onderzoekers van de KU Leuven en de Universiteit Antwerpen bouwen aan een fotoelektochemische cel die vervuilde lucht zuivert en gelijktijdig waterstof oogst.

‘Wij toonden onlangs aan dat het mogelijk is om een vervuiling met kleine organische moleculen uit lucht om te zetten in onschadelijke restproducten, en een deel van de energie uit die omzetting in handen te krijgen in de vorm van waterstof’, vertelt Sammy Verbruggen, postdoc bij de onderzoeksgroep duurzame energie, lucht en water technologie (DuEL) van de Univer­siteit Antwerpen.

Het resulteerde in maart in een publicatie in ChemSusChem. ‘Nu is de efficiëntie van het proces nog lang niet hoog genoeg om het ook economisch te kunnen inzetten’, schetst de Antwerpse wetenschapper.

De groep van Johan Martens in Leuven ontwikkelde eerder al fotoelektrochemische cellen die vloeistoffen en vocht uit lucht konden omzetten in waterstofgas, aldus Verbruggen. ‘In Antwerpen werkten wij aan luchtzuivering onder invloed van licht. We besloten die twee concepten te combineren.’

Fotostroom

Het combineren leverde een cel op met een anode van TiO₂, die onder uv-licht zorgt voor de fotokatalytische afbraak van kleine organische stoffen als methanol, ethanol en azijnzuur. De daarbij gevormde protonen diffunderen door het membraan naar de metaalkathode. Daar combineren ze met de uit de anode omgeleide elektronen tot waterstofgas.

Een punt was wel dat Martens’ cellen het best presteerden onder inert stikstofgas. Vervuilde lucht bevat ook zuurstof en de vraag was in hoeverre die de elektronen zou wegvangen aan de lichtgevoelige anode. Ook bij een luchtmengsel met zuurstof maten de onderzoekers echter nog een fotostroom. Dit maakt het systeem in beginsel toepasbaar om lucht te reinigen die is vervuild met kleine organische oplosmiddelen uit bijvoorbeeld de verf- of textielindustrie.

‘We willen een cel die werkt op gratis zonlicht’

Verbruggen verwacht dat er nog zeker een aantal jaren nodig zijn om het concept in de buurt van een praktische toepassing te krijgen. ‘In het lab werkt het. Maar om de fotoelektrochemische cellen grootschaliger te kunnen inzetten, moeten we het design van de cel nog behoorlijk aanpassen. Zo moet de in de lucht in zeer lage concentraties aanwezige vervuilingen eerst geconcentreerd worden. Daar werken de collega’s in Leuven nu aan.’

Ook moet de lichtefficiëntie nog flink omhoog. Verbruggen: ‘Wij willen toe naar een cel die werkt op gratis zonlicht.’ Het huidige prototype werkt met een anode van titaniumdioxide, die maar enkele procenten van het zonlicht benut. De Leuvenaren werken aan een materiaal dat profiteert van een veel groter deel. ‘Zij doen dat onder meer door het titaniumdioxide aan het oppervlak te voorzien van nanodeeltjes goud en zilver. Die kunnen als een soort antennes energie uit zichtbaar licht doorgeven aan het omliggende materiaal.’

Hoeveel waterstof een dergelijk proces uiteindelijk kan opbrengen, kan Verbruggen nog niet voorspellen. ‘Dat zal ook sterk afhangen van de precieze samenstelling van het gasmengsel en de aard van de verontreinigingen.’

Voorbij affakkelen

De puzzel levert volgens de chemicus op zijn minst veel nieuwe fundamentele kennis op over elektrochemie, oppervlaktechemie en katalyse. ‘Daarbij is het een mooi vooruitzicht dat we bepaalde afvalgasstromen, die we voor de reiniging nu nog ten koste van energie moeten affakkelen, in de toekomst misschien effectief kunnen reinigen. En daar ook nog energie mee kunnen winnen.’