Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben de efficiëntie verdubbeld van een chemische combinatie die licht opvangt en watermoleculen splitst, zodat de bouwstenen kunnen worden gebruikt om waterstofbrandstof te produceren. hun studie, geselecteerd als een "Editors' Choice" van de American Chemical Society die op de omslag van de Journal of Physical Chemistry C , biedt een platform voor het ontwikkelen van revolutionaire verbeteringen in de zogenaamde kunstmatige fotosynthese - een laboratoriumgebaseerde nabootsing van het natuurlijke proces dat gericht is op het genereren van schone energie uit zonlicht.

Bij natuurlijke fotosynthese, groene planten gebruiken zonlicht om water te transformeren (H ₂ O) en kooldioxide (CO ₂ ) in koolhydraten zoals suiker en zetmeel. De energie van het zonlicht wordt opgeslagen in de chemische bindingen die die moleculen bij elkaar houden.

Veel kunstmatige fotosynthesestrategieën beginnen met het zoeken naar manieren om licht te gebruiken om water in zijn bestanddelen te splitsen, waterstof en zuurstof, zodat de waterstof later kan worden gecombineerd met andere elementen - idealiter de koolstof uit koolstofdioxide - om brandstoffen te maken. Maar zelfs om de waterstofatomen te laten recombineren als zuiver waterstofgas (H ₂ ) is een stap in de richting van de opwekking van schone brandstof op zonne-energie.

Om watersplitsing te bereiken, wetenschappers hebben een breed scala aan lichtabsorberende moleculen onderzocht (ook wel chromoforen, of kleurstoffen) gecombineerd met chemische katalysatoren die de zeer sterke waterstof-zuurstofbindingen van water uit elkaar kunnen halen. De nieuwe benadering maakt gebruik van moleculaire "tethers" - eenvoudige koolstofketens die een hoge affiniteit voor elkaar hebben - om de chromofoor aan de katalysator te hechten. De kettingen houden de deeltjes dicht genoeg bij elkaar om elektronen van de katalysator naar de chromofoor over te brengen - een essentiële stap voor het activeren van de katalysator - maar houden ze ver genoeg uit elkaar zodat de elektronen niet terugspringen naar de katalysator.

"Elektronen bewegen snel, maar chemische reacties zijn veel langzamer. Dus, om het systeem de tijd te geven om de watersplitsingsreactie te laten plaatsvinden zonder dat de elektronen teruggaan naar de katalysator, je moet die kosten scheiden, " verklaarde Brookhaven Lab-chemicus Javier Concepcion, die het project leidde.

In de volledige opstelling de chromoforen (vastgemaakt aan de katalysator) zijn ingebed in een laag nanodeeltjes op een elektrode. Elk nanodeeltje is gemaakt van een kern van tindioxide (SnO2) omgeven door een titaniumdioxide (TiO ₂ ) schelp. Deze verschillende componenten zorgen voor een efficiënte, stapsgewijze pendelen van elektronen om de negatief geladen deeltjes weg te trekken van de katalysator en ze naar de plaats te sturen waar ze nodig zijn om brandstof te maken.

Zo werkt het van begin tot eind:licht valt op de chromofoor en geeft een elektron genoeg schok om het van de chromofoor naar het oppervlak van het nanodeeltje te sturen. Van daaruit gaat het elektron naar de kern van de nanodeeltjes, en dan door een draad uit de elektrode. In de tussentijd, de chromofoor, één elektron verloren hebben, trekt een elektron uit de katalysator. Zolang er licht is, dit proces herhaalt zich, het sturen van elektronen die van katalysator naar chromofoor naar nanodeeltje naar draad stromen.

Elke keer dat de katalysator vier elektronen verliest, het wordt geactiveerd met een positieve lading die groot genoeg is om vier elektronen van twee watermoleculen te stelen. Dat breekt de waterstof en zuurstof uit elkaar. De zuurstof borrelt eruit als een gas (bij natuurlijke fotosynthese, zo maken planten de zuurstof die we inademen!) terwijl de waterstofatomen (nu ionen omdat ze positief geladen zijn) door een membraan naar een andere elektrode diffunderen. Daar recombineren ze met de elektronen die door de draad worden gedragen om waterstofgas te produceren - brandstof!

Voortbouwen op ervaring

Het Brookhaven-team had een eerdere versie van deze chromofoor-katalysatoropstelling geprobeerd, waarbij de lichtabsorberende kleurstof en katalysatordeeltjes veel nauwer waren verbonden met directe chemische bindingen in plaats van met koorden.

"Dit was heel moeilijk om te doen, vele stappen van synthese en zuivering nemen, en het duurde enkele maanden om de moleculen te maken, "Zei Concepcion. "En de uitvoering was uiteindelijk niet zo goed."

In tegenstelling tot, door de koolstofketen aan beide moleculen te bevestigen, kunnen ze zichzelf assembleren.

"Je doopt gewoon de elektrode bedekt met de chromoforen in een oplossing waarin de katalysator is gesuspendeerd en de koorden op de twee soorten moleculen elkaar vinden en verbinden, " zei Stony Brook University afgestudeerde student Lei Wang, een co-auteur van de huidige paper en hoofdauteur van een paper die eerder dit jaar werd gepubliceerd en waarin de zelfassemblagestrategie werd beschreven.

Het nieuwe artikel bevat gegevens die aantonen dat het systeem met tethered-verbindingen aanzienlijk stabieler is dan de direct aangesloten componenten, en het genereerde tweemaal de hoeveelheid stroom - het aantal elektronen dat door het systeem stroomt.

"Hoe meer elektronen je genereert uit het licht dat binnenkomt, hoe meer je beschikbaar hebt om waterstofbrandstof op te wekken, ' zei Concepción.

De wetenschappers maten ook de hoeveelheid geproduceerde zuurstof.

"We ontdekten dat dit systeem, zichtbaar licht gebruiken, is in staat om opmerkelijke efficiënties te bereiken voor door licht aangedreven watersplitsing, ' zei Concepción.

Maar er is nog ruimte voor verbetering, hij merkte. "Wat we tot nu toe hebben gedaan, werkt om waterstof te maken. Maar we willen overstappen op het maken van hoogwaardigere koolwaterstofbrandstoffen." Nu ze een systeem hebben waar ze gemakkelijk componenten kunnen uitwisselen en experimenteren met andere variabelen, ze zijn klaar om de mogelijkheden te verkennen.

"Een van de belangrijkste aspecten van deze opstelling zijn niet alleen de prestaties, maar het gemak van montage, ' zei Concepción.

"Omdat deze combinaties van chromoforen en katalysatoren zo gemakkelijk te maken zijn, en de koorden geven ons zoveel controle over de afstand tussen hen, nu kunnen we studeren, bijvoorbeeld, wat is de optimale afstand. En we kunnen experimenten doen door verschillende chromoforen en katalysatoren te combineren zonder veel complexe synthese te hoeven doen om de beste combinaties te vinden, " zei hij. "De veelzijdigheid van deze aanpak zal ons in staat stellen fundamentele studies te doen die zonder dit systeem niet mogelijk zouden zijn geweest."