Waterstofgas is een veelbelovende "groene" brandstof. Het lichtste chemische element, waterstof is een efficiënte energieopslag en zou mogelijk benzine in voertuigen kunnen vervangen. Echter, het element komt in de natuur niet in grote hoeveelheden voor, en moet kunstmatig worden geproduceerd.

Waterstof kan worden geproduceerd door water (H2O) te splitsen in waterstof (H2) en zuurstof (O2). Er zijn veel manieren om dit te doen, maar een van de schoonste - en dus meest aantrekkelijke - is het gebruik van zonnecellen. Deze apparaten vangen de energie van zonlicht op om de watersplitsingsreactie te stimuleren.

Zonlicht komt in een spectrum, waarbij elke kleur een andere golflengte heeft. Zonnecellen moeten licht van bepaalde golflengten absorberen, afhankelijk van hoeveel energie de cel nodig heeft om de reactie aan te drijven. Hoe meer van het spectrum het vangt, hoe meer waterstof het produceert. Helaas, de meeste cellen absorberen alleen kortere golflengten van licht, overeenkomend met het hogere energiegebied van zichtbaar licht onder het rode lichtdomein. Dit betekent dat hoewel kleuren zoals blauw en groen licht kunnen worden gebruikt, de rest is verspild.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Kyushu University in Japan en het Institute for Carbon-Neutral Energy Research (I2CNER) hebben dit probleem mogelijk opgelost. Ze vonden een apparaat uit dat wordt aangedreven door nabij-infrarood (NIR) licht - het deel van het spectrum, onzichtbaar voor het blote oog, met golflengten langer dan zichtbaar rood licht. Dus, ze maakten een breder spectrum van licht mogelijk, inclusief UV, zichtbaar, en NIR, geoogst worden. Hun ontwerp maakt slim gebruik van de chemie van ruthenium, een aan ijzer verwant zwaar metaal. Hun prestatie werd gerapporteerd in Internationale editie van Angewandte Chemie .

Bijzondere metaal-organische hybride materialen zijn goed in het opvangen van licht, die hun elektronen helpt om in orbitalen te "springen" in de organische delen van de materialen die aan het metalen centrum zijn bevestigd. Bij zonnecellen, dit is de eerste stap in de productie van waterstof, aangezien elektronen de drijvende krachten achter de chemie zijn. Echter, de sprong tussen orbitalen is meestal zo groot dat alleen UV en het hogere energiegebied van zichtbaar licht genoeg energie hebben om het te stimuleren. Rood, NIR, en zelfs langer IR-licht wordt gewoon teruggekaatst of gaat door de apparaten, en hun energie blijft ongebruikt.

Het Kyushu-ontwerp is anders. "We hebben nieuwe elektronenorbitalen in de rutheniumatomen geïntroduceerd, " studie corresponderende auteur professor Ken Sakai legt uit. "Het is alsof je sporten aan een ladder toevoegt - nu hoeven de elektronen in ruthenium niet zo ver te springen, zodat ze lagere lichtenergieën kunnen gebruiken, zoals rood en NIR. Dit verdubbelt bijna de hoeveelheid zonlichtfotonen die we kunnen oogsten."

De truc is om een ​​organische verbinding - zeshoekige ringen van koolstof en stikstof - te gebruiken om drie metaalatomen te verbinden tot een enkel molecuul. In feite, dit creëert niet alleen deze nieuwe "sporten" - vandaar de mogelijkheid om rood en NIR-licht te gebruiken - maar maakt de reactie ook efficiënter door de ruimtelijke expansie van het lichtopnemende deel van het molecuul. Dus, de productie van waterstof wordt versneld.

"Het heeft wereldwijd tientallen jaren van inspanningen gekost, maar we zijn er eindelijk in geslaagd om waterreductie te stimuleren om H2 te ontwikkelen met behulp van NIR, " zegt Sakai. "We hopen dat dit nog maar het begin is - hoe meer we de chemie begrijpen, hoe beter we apparaten kunnen ontwerpen om schoon te maken, op waterstof gebaseerde energieopslag een commerciële realiteit."