Slimme lichtvallen ontwikkelen geïnspireerd op fotosynthese

Planten gebruiken fotosynthese om energie uit zonlicht te oogsten. Nu hebben onderzoekers van de Technische Universiteit van München (TUM) dit principe toegepast als basis voor het ontwikkelen van nieuwe duurzame processen die in de toekomst syngas (synthetisch gas) kunnen produceren voor de grootschalige chemische industrie en batterijen kunnen opladen.

Syngas, een mengsel van koolmonoxide en waterstof, is een belangrijk tussenproduct bij de vervaardiging van veel chemische startmaterialen zoals ammoniak, methanol en synthetische koolwaterstofbrandstoffen. “Syngas wordt momenteel bijna uitsluitend gemaakt met behulp van fossiele grondstoffen,” zegt prof. Roland Fischer van de leerstoel Anorganische en organometaalchemie.

Een geel poeder, ontwikkeld door een onderzoeksteam onder leiding van Fischer, moet daar verandering in brengen. De wetenschappers lieten zich inspireren door fotosynthese, het proces dat planten gebruiken om chemische energie uit licht te produceren. “De natuur heeft koolstofdioxide en water nodig voor fotosynthese,” zegt Fischer. Het door de onderzoekers ontwikkelde nanomateriaal imiteert de eigenschappen van de enzymen die betrokken zijn bij fotosynthese. De “nanozym” produceert syngas met behulp van kooldioxide, water en licht op een vergelijkbare manier.

Noteer waarden voor efficiëntie

Dr. Philip Stanley, die het onderwerp behandelde als onderdeel van zijn proefschrift, legt uit: “Een molecuul neemt de taak van een energieantenne over, analoog aan een chlorofylmolecuul in planten. Licht wordt opgevangen en de elektronen worden doorgegeven aan een reactiecentrum, de katalysator.”

Het vernieuwende aan het systeem van de onderzoekers is dat er nu twee reactiecentra zijn die gekoppeld zijn aan de antenne. Een van deze centra zet koolstofdioxide om in koolmonoxide, terwijl de andere water omzet in waterstof. De grote ontwerpuitdaging was om de antenne, het mechanisme voor het doorgeven van de elektronen en de twee katalysatoren zo in te richten dat er een zo hoog mogelijke opbrengst uit het licht wordt gehaald.

En dat is het team gelukt. “Onze energieopbrengst uit licht is met 36 procent spectaculair hoog,” zegt Stanley. “We slagen erin om maar liefst een derde van de fotonen om te zetten in chemische energie. Eerdere systemen bereikten vaak op zijn best elke tiende foton. Dit resultaat geeft hoop dat de technische realisatie industriële chemische processen kan verduurzamen.”

Fotoaccumulator om kosten op te slaan

In een apart project werken de onderzoekers aan een ander materiaal dat lichtenergie van de zon gebruikt, maar in dit geval opslaat als elektrische energie. “Een mogelijke toekomstige toepassing zijn batterijen die worden opgeladen door zonlicht, zonder omweg via het stopcontact,” zegt Fischer.

Bij de ontwikkeling van deze fotoaccumulatoren gebruikten de onderzoekers vergelijkbare componenten als in het nanozyme. Ook hier absorbeert het materiaal zelf fotonen uit het invallende licht. Maar in plaats van dan als katalysator voor een chemische reactie te dienen, zit de energieontvanger zo strak in de structuur geïntegreerd dat hij in deze toestand blijft, waardoor opslag van de elektronen over een langere periode mogelijk is. De onderzoekers hebben de haalbaarheid van het systeem in het lab aangetoond.

“Er zijn twee manieren om direct gebruik te maken van zonne-energie,” zegt Dr. Julien Warnan, groepsleider voor fotokatalyse. “Of we halen er elektrische energie uit of we gebruiken de energie om chemische reacties te stimuleren. En deze twee systemen, beide gebaseerd op hetzelfde principe, laten zien dat we experimenteel geslaagd zijn.”

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen.