ENGINEERINGNET -- Metaal dat wordt blootgesteld aan plasma (heet, geladen gas) vormt vanzelf een poreus oppervlak van nanodons.
Zulke nanostructuren kunnen waterstof produceren uit water met de energie uit zonlicht, en zo duurzame energie opslaan in de vorm van solar fuels. Controle over de nanostructuur was voorheen lastig.
Solar fuels slaan duurzame energie, opgewekt met zonlicht, op in de vorm van brandstof. Eén van de technieken in dit nieuwe vakgebied is de productie van waterstof uit water.
Wetenschappers zoeken daarbij ruim voorradige en chemisch stabiele materialen die zowel het zeldzame elektrodemateriaal platinum kunnen vervangen, als de standaard zonnecelmaterialen (die instabiel zijn in water).
Poreuze nanostructuren van metaaloxide zijn een veelbelovende route. De poreuze metaaloxide vangt zonlicht op en zet het om in elektrische ladingen, die vervolgens via elektrolyse het water splitsen in waterstof en zuurstof.
Greg De Temmerman (FOM-instituut DIFFER) en Roel van de Krol (TU Delft en Helmholtz-Zentrum Berlin) deden hun onderzoek samen met Russ Doerner (University of California in San Diego). Het team beschrijft in hun artikel hoe ze de gezochte donzige metalen nanostructuur laten groeien door metaal bloot te stellen aan heliumplasma. Een gecontroleerd oxidatieproces produceert daarna de gezochte metaaloxide.
De onderzoekers gebruikten in hun werk de hoge-flux plasma-opstellingen bij DIFFER. Die worden doorgaans gebruikt om wandmaterialen te testen voor toekomstige kernfusiereactoren, maar het plasma bleek ook geschikt om oppervlakken op nanoschaal te structureren.
"In onze plasmatechniek groeien de nanostructuren doordat het plasma bellen blaast in het metaal. De structuur en dikte kunnen we precies instellen via de duur van de plasmaontlading en via de temperatuur van ons materiaal - twee simpele controleknoppen. Wat we hier hebben gerealiseerd is veel betere controle over hoe je die nanostructuur maakt dan met bestaande technieken", aldus De Temmerman.
Het team onderzoekt de prestaties van het nanodons via de fotostroom, de stroomsterkte die het materiaal opwekt bij blootstelling aan licht. "Met slechts een beperkte optimalisatie van het systeem halen we nu al de helft van de fotostroom die de koplopers in het veld produceren", aldus De Temmerman.
De onderzoekers werken op dit moment nog met kleine stukjes wolfraam, zo groot als een euromunt, maar ze denken al aan grootschalige toepassingen van hun techniek.
Om op wereldschaal duurzame energie op te kunnen slaan en als brandstof te vervoeren moet de productietechniek voor solar fuel devices zo min mogelijk zeldzame materialen zoals platinum of wolfraam gebruiken.
"We doen op dit moment vervolgonderzoek met ijzer", vertelt De Temmerman. De uitdaging is om ook voor dat metaal de nanostructuur zó te krijgen dat het zonlicht optimaal gebruikt wordt voor brandstofproductie.
(GL) (bron en foto: DIFFER)
Op de foto: een bombardement met heliumplasma geeft een wolfraam trefplaatje een schuimachtige structuur.
