Titaniumdioxide: een bijzonder materiaal en wellicht een doorbraak voor zonnecel technologie
15 april 2009
Titaniumdioxide, een eenvoudige verbinding tussen titaniummetaal en zuurstof, TiO2, wordt op vele verschillende manieren gebruikt. Het is een goedkope witte stof en wordt gebruikt als pigment in verf en latex, maar ook in tandpasta, cosmetische artikelen en als vulstof in pillen van medicijnen. Kijkt u maar eens op doosjes, waarin medicijnen worden geleverd. Titaniumdioxide poeder is een wit poeder en het absorbeert het nabije ultraviolette licht van het zonlicht en wordt daarom ook gebruikt in zonnebrand crèmes. Dit is echter niet helemaal zonder gevaar, zoals later zal blijken.
Is er een relatie van TiO2 met duurzame energie? De conversie van zonlicht in elektriciteit is een voorbeeld van het gebruik van de duurzame energiebron zonne-energie. Maar de huidige generaties zonnecellen, gebaseerd op eenkristallijn, polykristallijn, of amorf silicium, die zichtbaar licht absorberen, zijn nog steeds veel te duur en worden daarom nog steeds niet grootschalig toegepast. Het kost ook heel veel energie om deze zonnecellen te produceren en het is dan ook van groot belang om de zogenaamde “Energie terugverdientijd” te beschouwen. Voor de op silicium gebaseerde zonnecellen is deze Energie terugverdientijd zo’n drie tot vijf jaar, afhankelijk van de soort silicium, die gebruikt is. U, als gebruiker, kan direct waarnemen hoeveel elektrische energie van uw zonnepaneel aan het net terug geleverd wordt en u ziet daarmee gelijk de gerealiseerde kostenbesparing . Ten aanzien van onze ecologische omgeving duurt het dus echter drie tot vijf jaar voordat de energie, die nodig is geweest om uw zonnepaneel te produceren gecompenseerd is en er dus werkelijk sprake is van een bijdrage van duurzame zonne-energie. Een zonnecel gebaseerd op TiO2 is in principe alleen maar gevoelig voor het nabije ultraviolette deel van het zonlicht, vandaar de toepassing in zonnebrand crèmes. Door de absorptie van UV licht worden in TiO2 elektronen en elektronengaten gevormd, hetgeen nodig is voor de toepassing in een zonnecel.
Het is dan ook niet verwonderlijk, dat vele universiteiten, onderzoeksinstellingen en high-tech bedrijven wereldwijd onderzoek verrichten naar nieuwe materialen om te komen tot goedkopere zonnecellen met een sterk gereduceerde Energie terugverdientijd. Het is de Zwitserse geleerde Professor Dr. Michael Grätzel, die rond 1990 over een nieuw type zonnecel publiceerde, welke afgeleid is van de natuurlijke fotosynthese, waarin het chlorofyl in planten onder invloed van zonlicht in de lucht aanwezig koolstofdioxide, het verbrandingsproduct van o.a. fossiele brandstoffen, omzet in zuurstof en suikers. Hij baseerde zijn zonnecel op nano-gestruktureerd poreus TiO2, dat hij bedekte met een laagje van een op chlorofyl-gelijkend molecuul, dat een belangrijk deel van het zichtbare zonlicht absorbeert, om zo te komen tot een efficiënte en goedkope zonnecel met een Energie terugverdientijd van minder dan een jaar. Een nadeel van deze Grätzel zonnecel is, dat er een vloeibare elektrolyt in gebruikt wordt, welke de levensduur, naar verwachting zo’n 20 jaar, nadelig kan beïnvloeden. Het vaste-stof analogon van deze Grätzel zonnecel is in het Laboratorium voor Anorganische Chemie van de Technische Universiteit Delft indringend bestudeerd en is ook gebaseerd op het nano-gestruktureerde TiO2, maar nu gecombineerd met het zichtbaar-licht absorberende koperindiumdisulfide. Deze Delft nano-gestruktureerde composiet zonnecel komt binnenkort op de markt, is goedkoper dan de op silicium-gebaseerde zonnecellen en heeft een Energie terugverdientijd ook van minder dan een jaar. Ook hier weer een bijzondere toepassing van TiO2.
Omdat TiO2 het nabije ultraviolette deel van het zonlicht absorbeert wordt het dus ook gebruikt in zonnebrand crèmes. Vroegere zonnebrand crèmes bevatten TiO2 deeltjes in de orde van grootte van micrometers, die het licht reflecteerden en waardoor een witte pigmentatie op de huid ontstond, hetgeen ongewenst werd bevonden. De cosmetische industrie ging toen over op het toepassen van nano-deeltjes van TiO2 die het licht door lieten en geen witte pigmentatie veroorzaakten. Echter ook nano-deeltjes van TiO2 absorberen het nabije ultraviolette zonlichtlicht en bevatten dus vrije elektronen en elektronengaten. Deze kunnen verschillend reageren met de huid en dus tot een permanente ladingsscheiding leiden, hetgeen kan leiden tot andere mechanismes van huidveroudering, of zelfs tot nieuwe mechanismes van huidkanker. Deze nano-deeltjes dienen dan ook bedekt te worden met een UV transparante coating, bijvoorbeeld siliciumdioxide, SiO2 (zand) van hoogstens twee tot drie atoomlagen dik om ervoor te zorgen, dat de elektronen en elektronengaten de huid niet meer kunnen bereiken. Dit is voor de cosmetische industrie een grote uitdaging, temeer ook om het product goedkoop te houden.
We kunnen stellen dat titaniumdioxide nu al een bijzonder materiaal is, maar er is nog een aantal bijzondere toepassingen van dit materiaal, waardoor we kunnen stellen, dat TiO2 een universeel materiaal is. Ik zal daar in de volgende column op ingaan.
Op weg naar een goedkope brandstofcel?
4 september 2008
Er wordt op vele fronten bestudeerd hoe wij de uitstoot van broeikasgassen kunnen verminderen. Energiebesparing dient grote aandacht te krijgen. Daarnaast wordt wereldwijd onderzoek verricht naar het gebruik van duurzame energiebronnen. Denk aan windenergie, zonne-energie, waterkracht, getijde-energie en geothermische energie. Het is duidelijk, dat voor Nederland wind- en zonne-energie belangrijk zijn. Het aantal windparken in ons land en op de Noordzee groeit en het aantal fotovoltaïsche zonnedaken neemt ook toe. De prijs van op silicium-gebaseerde zonnecellen om zonnedaken te implementeren is nog steeds veel te hoog. Dus alternatieve zonnecellen staan wereldwijd in de belangstelling.
Het gebruik van zonnecellen vereist ook inzicht in de opslag van door deze zonnecellen geproduceerde duurzame elektrische energie. Hiertoe kunnen herlaadbare batterijen gebruikt worden, maar ook kan deze elektrische energie gebruikt worden om water elektrochemisch te splitsen in waterstof en zuurstof. De chemische energiedrager waterstof kan omgezet worden in elektrische energie in een brandstofcel. In een brandstofcel wordt aan de brandstofelektrode waterstof gesplitst in twee protonen (waterstof ionen) en twee elektronen. De protonen diffunderen door een membraan naar de zuurstofelektrode en reageren daar met zuurstof uit de lucht onder vorming van water mede met de elektronen, die vanuit het uitwendige elektrische circuit, arbeid verricht hebbend, aankomen aan de zuurstofelektrode. De elektronen kunnen in een uitwendig elektrisch circuit een elektromotor aandrijven. In een brandstofcel wordt de explosieve reactie van waterstof en zuurstof (knalgas) elektrochemisch gecontroleerd uitgevoerd.
De brandstofcel, die voor de automobielindustrie ontwikkeld wordt voor de emissie-vrije waterstofauto is gebaseerd op een Polymere-Electroliet-Membraan (PEM) brandstofcel, een polymeer membraan dat protonen geleidt. Het grote nadeel van dit type brandstofcel is de forse kostprijs. In de eerste plaats is het membraan, het protonen-geleidende polymeer Nafion erg duur. In de tweede plaats kent deze brandstofcel de noodzaak om platina te gebruiken als katalysator om de elektrodereacties te versnellen. Om een indruk te geven van de kosten: voor een 150kW-klasse is de benodigde hoeveelheid platina – 60 gram. Met de huidige prijs van platina komt dit neer op Euro 2.360.-. Meer vermogen kost natuurlijk meer. In het algemeen is 300 to 500 kW elektrische output nodig voor tractiedoeleinden en dat komt neer op het gebruik van 120 tot 200 gram platina, dus Euro 4.720,- tot – Euro 7.867-. Het is dus van het grootste belang om de hoeveelheid platina katalysator te verminderen of een vervanger te zoeken.
Het is dan ook zeer interessant om in de zaterdagochtend editie van de Nikkei van 12 juli te lezen, dat het Japanse bedrijf Nisshinbo Industries Inc., een nieuwe katalysator heeft ontwikkeld die veel goedkoper is dan de huidige platina katalysator. De nieuwe katalysator is gemaakt van koolstof nanodeeltjes. Er is echter 10 keer meer van deze katalysator nodig dan in het geval van platina, maar ondanks dat is de nieuwe katalysator een factor 10 goedkoper dan platina. Ja, men is op weg naar een goedkope brandstofcel.
De Eco-Auto Sensatie
In de afgelopen periode is de prijs van ruwe olie dramatisch gestegen. Dit is echter (nog) niet te wijten aan een tekort aan ruwe olie. Wat ons parten speelt is onder andere onvoldoende raffinagecapaciteit, om niet te spreken van het handelen van beleggingsmaatschappijen, dat een olieprijsstijging van zo’n $40,- teweeg heeft gebracht volgens de voorzitter van de OPEC.
Gaat de prijs van een vat olie naar $200,- en gaat de prijs van benzine en diesel dan ook nog fors omhoog? Het is helaas niet onwaarschijnlijk. Kunnen we enige terughoudendheid van de overheid verwachten? Nee, het kwartje van Kok is nimmer afgeschaft en de accijnsverhoging van diesel, onlangs op 1 juli ingegaan, wordt voorlopig niet teruggedraaid. De prijzen in Nederland voor benzine en diesel zijn daardoor de hoogste in Europa. De ambities van ons kabinet richten zich meer op de modernisering van onderzeeboten van de Marine, een Energie-eiland in de Noordzee, de tweede Maasvlakte en de kostenslurpende acties in Afghanistan. Ik realiseer mij hier wat kort door de bocht te gaan, maar weet ook dat de wetenschap voorstellen heeft ingediend om het onderzoek naar duurzame energie een extra impuls te geven. Het ging om een totaal budget van zo’n Euro 350 miljoen, en weet dan dat de overheid zo’n 17 miljard dit jaar ontvangt aan extra inkomsten uit de aardgasbaten. Wat we voor het onderzoek vragen is dus niet meer dan een druppel op een gloeiende plaat, maar besluiten zijn er door ‘Den Haag’ nog niet genomen.
Is er een oplossing voor de dure benzine- en dieselkosten? Ja, verschillende fabrikanten zijn druk bezig met zuinige motoren. En zeer recent hebben Amerikaanse en Japanse bedrijven in samenwerking met onderzoeksinstellingen iets nieuws uitgedokterd, namelijk dat het bijmengen van waterstof een enorme afname in de uitstoot van kooldioxide, CO2, tot gevolg heeft, maar ook nog eens tot een substantiële afname van het brandstofgebruik leidt, tot zelfs 30%.
Hoe werkt dit? Kort gezegd als volgt. Bij de motor wordt een water-elektrolyseur gemonteerd en via de accu wordt een spanning over de elektrolyseur aangelegd, waardoor tijdens het rijden water wordt ontleed in zuurstof en waterstof. De waterstof wordt bijgemengd met de diesel of de benzine en dit waterstofrijke mengsel leidt tot boven genoemde voordelen (1).
Hrein Energy Inc, Sapporo, en Prof. Emeritus Masara Ichikawa van de Hokkaido Universiteit hebben een andere manier bedacht om waterstof bij te mengen. Er wordt gebruik gemaakt van een organisch hydride, een combinatie van waterstof en een organisch oplosmiddel zoals tolueen. Het bijmengen van 3% waterstof in benzine leidt tot een forse reduktie van de CO2 emissie. 30% wordt geclaimd. Het voordeel van deze benadering is dat zo’n hydride in trucks vervoerd kan worden en bestaande infrastructuur gebruikt kan worden. De waterstof generator wordt aan de onderkant van de auto gemonteerd. Voor bestaande auto’s zal het aanbrengen van de waterstof generator gemiddeld Euro 1500,- kosten (2).
Qua kosten voor de consument praat je dus over een verbazend klein bedrag; de investering van € 1500 heb je snel terugverdiend.
Stel dat je normaal gesproken 1:10 rijdt. Dus met 40.000 km/jaar verbruik je 4000 liter. Stel dat je door deze ingreep 30% bezuiniging realiseert dan is dat dus 1200 liter x €1,60 = € 1.920,-. Kortom: een terugverdientijd van minder dan een jaar. Een auto gaat (bij de eerste eigenaar) zeker 4 jaar mee, waarmee deze dus 4 x €1.920 uitspaart. Trek je daar de € 1.500 investering vanaf dan wordt zo’n € 6.180,- terugverdiend. Da’s niet niks en zeker de moeite waard.
1. www.wateralsbrandstof.nl
2. Eco Summit (3): Hokkaido’s Hydrogen Car Could Be Next Eco-Car Sensation, TWA Nederlandse Ambassade te Tokyo, 11 juni 2008
Waterstof, een Toekomstige Energiedrager
De verwachting is dat de prijs van een vat ruwe olie dit jaar de U$ 200 dollar zal passeren. Daarmee zal de benzineprijs in ons land verdubbelen en neemt de belangstelling voor goedkopere alternatieve brandstoffen hoogstwaarschijnlijk toe. Het is dan wel te hopen dat het Nederlandse belastingstelsel op fossiele brandstoffen niet zal worden toegepast op de alternatieve brandstoffen.
Overigens zullen nieuwe generaties alternatieve brandstoffen niet langer gebaseerd zijn op fossiele brandstoffen, omdat niet alleen de prijs ervan, maar ook de reductie van de emissie van broeikasgassen, met name koolstofdioxide CO2, een belangrijk argument is om naar echt duurzame alternatieve brandstoffen onderzoek en ontwikkeling te verrichten.
Bij de ontwikkeling van alternatieven zie je in de wetenschap een evolutie: alternatieve brandstoffen worden eerst ‘gefabriceerd’ op basis van fossiele bronnen om vervolgens steeds duurzamer en onafhankelijker te worden geproduceerd.
Ter illustratie een paar momenten uit deze tijdlijn aan de hand van een zeer interessante energiedrager namelijk waterstof, dat overigens met een achterstand begon door het ongeluk met de Hindenburg Zeppelin. Dit heeft bij het grote publiek een verkeerde indruk van waterstof achtergelaten, want het was niet de waterstof vulling van de zeppelin, maar het uiterst brandbare mantel materiaal van de Hindenburg dat het ongeluk heeft veroorzaakt. Maar dat terzijde.
Waterstof wordt eigenlijk al heel lang gebruikt in het dagelijkse leven. Het stadsgas, dat voorafgaand aan de ontdekking van ons aardgas werd gebruikt, bestond in belangrijke mate uit een mengsel van koolstofmonoxide, CO, en waterstof (H2).
De huidige industriële productie van waterstof is gebaseerd op de reactie van een fossiele brandstof, doorgaans aardgas(CH4) met stoom onder vorming van CO en waterstof en een vervolgreactie van het koolstofmonoxide met stoom tot waterstof en koolstofdioxide. Per molecuul CH4 wordt dan in de “steam-reforming reaction” en de daaropvolgende “water gas-shift reaction” een viertal waterstof moleculen gevormd en een grote hoeveelheid CO2. Het gebruik van fossiele brandstoffen voor de productie van waterstof leidt dus tot enorme emissies van CO2.
Vandaar dat onderzoekers het gebruik van een duurzame energiebron voor de productie van waterstof intensief bestuderen. Vooral wordt onderzocht, of het mogelijk is om met behulp van zonne-energie water te spitsen in waterstof en zuurstof. De met behulp van een zonnecel opgewekte elektrische energie kan gebruikt worden voor de elektrolyse van water onder vorming van waterstof en zuurstof. Ook windenergie kan gebruikt worden voor deze ontleding van water. In beide gevallen zijn een zonnecel, of windturbine en een elektrolyseur nodig: een twee-staps proces dus. Zouden we nu een lichtgevoelig materiaal direct in water brengen en dat bestralen met zonlicht, zodat aan deze foto-anode zuurstof gevormd wordt, dan zal aan een tegen-elektrode in dezelfde oplossing waterstof gevormd worden en is een een-staps proces gerealiseerd. Wel dienen de waterstof en zuurstof direct van elkaar gescheiden te worden, want hun zo gevormde mengsel staat bekend als knalgas en kan explosief reageren. Daarom is een goedkope en vooral veilige opslag van waterstof uiteindelijk cruciaal voor de introductie en maatschappelijke acceptatie van waterstof als toekomstige energiedrager.
Professor Joop Schoonman
Joop Schoonman is van huis uit chemicus, hoogleraar aan de TU Delft en voormalig directeur van het Delft Centre for Sustainable Energy. Hij heeft tijdens zijn wetenschappelijke carrière onderzoek geleid naar allerlei vormen van duurzame energie, variërend van zonne-energie tot waterstof en de ontwikkeling van brandstofcellen.
(advertentie)