Lichtgestuurde hybride nanoreactor biedt kosteneffectieve waterstofproductie

De Universiteit van Liverpool heeft melding gemaakt van een aanzienlijke vooruitgang op het gebied van technische biologie en schone energie. Een team van onderzoekers heeft een innovatieve, door licht aangedreven hybride nanoreactor ontwikkeld die natuurlijke efficiëntie combineert met geavanceerde synthetische precisie om waterstof te produceren – een schone en duurzame energiebron.

De studie, gepubliceerd in ACS-katalysedemonstreert een baanbrekende benadering van kunstmatige fotokatalyse, waarmee een cruciale uitdaging wordt aangepakt bij het gebruik van zonne-energie voor de productie van brandstof. Terwijl de fotosynthesesystemen van de natuur zijn geëvolueerd voor optimaal gebruik van zonlicht, hebben kunstmatige systemen moeite om vergelijkbare prestaties te bereiken.

De hybride nanoreactor is het product van een nieuwe integratie van biologische en synthetische materialen. Het combineert recombinante α-carboxysoomschillen – natuurlijke microcompartimenten van bacteriën – met een microporeuze organische halfgeleider. Deze carboxysoomomhulsels beschermen gevoelige waterstofase-enzymen, die zeer effectief zijn in het produceren van waterstof, maar gevoelig zijn voor deactivering door zuurstof. Het inkapselen van deze enzymen zorgt voor langdurige activiteit en efficiëntie.

Professor Luning Liu, voorzitter van microbiële bio-energetica en bio-engineering aan de Universiteit van Liverpool, heeft samengewerkt met professor Andy Cooper, van de afdeling Scheikunde en directeur van de Materials Innovation Factory van de universiteit. Samen hebben hun teams een microporeuze organische halfgeleider gesynthetiseerd die fungeert als een antenne voor het opvangen van licht. Deze halfgeleider absorbeert zichtbaar licht en brengt de resulterende excitonen over naar de biokatalysator, waardoor de waterstofproductie wordt gestimuleerd.

Professor Luning Liu zei: “Door de ingewikkelde structuren en functies van natuurlijke fotosynthese na te bootsen, hebben we een hybride nanoreactor gecreëerd die de brede lichtabsorptie en excitongeneratie-efficiëntie van synthetische materialen combineert met de katalytische kracht van biologische enzymen. Deze synergie maakt de productie mogelijk van waterstof met licht als enige energiebron.”

Dit nieuwste werk heeft aanzienlijke implicaties en heeft het potentieel om de afhankelijkheid van dure edelmetalen zoals platina weg te nemen, waardoor een kosteneffectief alternatief wordt geboden voor traditionele synthetische fotokatalysatoren en tegelijkertijd een vergelijkbare efficiëntie wordt bereikt. Deze doorbraak effent niet alleen de weg voor duurzame waterstofproductie, maar biedt ook potentieel voor bredere biotechnologische toepassingen.

Professor Andy Cooper, directeur van de Materials Innovation Factory, concludeerde: “Het was fantastisch om met alle faculteiten van de universiteit samen te werken om deze resultaten te behalen. De opwindende bevindingen van het onderzoek openen deuren voor het fabriceren van biomimetische nanoreactoren met brede toepassingen in schone energie en enzymatische engineering, die bijdragen aan een koolstofneutrale toekomst.”