De manier waarop een door de natuur geïnspireerde verbinding waterstof produceert, is nu voor het eerst in detail beschreven door een internationaal onderzoeksteam van de Universiteit van Jena, Duitsland en de Universiteit van Milaan-Bicocca, Italië. Deze bevindingen vormen de basis voor de energiezuinige productie van waterstof als duurzame energiebron.

De natuur als model

Er zijn van nature voorkomende micro-organismen die waterstof produceren, met behulp van speciale enzymen die hydrogenasen worden genoemd. "Het bijzondere aan hydrogenasen is dat ze waterstof katalytisch genereren. In tegenstelling tot elektrolyse, die meestal industrieel wordt uitgevoerd met behulp van een dure platinakatalysator, de micro-organismen gebruiken organometallische ijzerverbindingen, " legt prof. Wolfgang Weigand van het Instituut voor Anorganische en Analytische Chemie aan de Universiteit van Jena in Duitsland uit. "Als energiebron, waterstof is natuurlijk van groot belang. Daarom willen we precies begrijpen hoe dit katalytische proces verloopt, " hij voegt toe.

Vroeger, Er zijn wereldwijd al tal van verbindingen geproduceerd die chemisch zijn gemodelleerd naar de natuurlijk voorkomende hydrogenasen. In samenwerking met de universiteit van Milaan, Weigand en zijn team in Jena hebben nu een verbinding geproduceerd die geheel nieuwe inzichten in het katalyseproces heeft opgeleverd.

"Net als in de natuur, ons model is gebaseerd op een molecuul dat twee ijzeratomen bevat. Vergeleken met de natuurlijke vorm, echter, we hebben de chemische omgeving van het ijzer op een specifieke manier veranderd. Precies zijn, een amine werd vervangen door een fosfineoxide met vergelijkbare chemische eigenschappen. Daarom hebben we het element fosfor in het spel gebracht."

Gedetailleerd inzicht in elektrokatalytische waterstofproductie

Hierdoor konden Weigand en zijn team het proces van waterstofvorming beter begrijpen. Water is samengesteld uit positief geladen protonen en negatief geladen hydroxide-ionen.

"Ons doel was om te begrijpen hoe deze protonen waterstof vormen. de protondonor in onze experimenten was geen water, maar een zuur, " zegt Weigand. "We hebben waargenomen dat het proton van het zuur wordt overgebracht naar het fosfineoxide van onze verbinding, gevolgd door een protonafgifte aan een van de ijzeratomen. Een soortgelijk proces zou ook te vinden zijn in de natuurlijke variant van het molecuul, " voegt hij eraan toe. Om de positieve lading van het proton in evenwicht te brengen en uiteindelijk waterstof te produceren, negatief geladen elektronen werden geïntroduceerd in de vorm van elektrische stroom. Met behulp van cyclische voltammetrie en simulatiesoftware ontwikkeld aan de Universiteit van Jena, de afzonderlijke stappen waarin deze protonen uiteindelijk werden gereduceerd tot vrije waterstof werden onderzocht.

"Tijdens het experiment we konden zien hoe het waterstofgas in kleine belletjes uit de oplossing opsteeg, " merkt Weigand op. "De experimentele meetgegevens van de cyclische voltammetrie en de simulatieresultaten werden vervolgens door het onderzoeksteam in Milaan gebruikt voor kwantumchemische berekeningen, "voegt Weigand toe. "Dit stelde ons in staat een aannemelijk mechanisme voor te stellen voor hoe de hele reactie chemisch verloopt om de waterstof te produceren - en dit voor elke afzonderlijke stap van de reactie. Dit is nog nooit eerder met deze nauwkeurigheid gedaan." De groep publiceerde de resultaten en het voorgestelde reactiepad in het gerenommeerde tijdschrift " ACS Katalyse ".

Het doel:waterstof door zonne-energie

Voortbouwend op deze bevindingen, Weigand en zijn team willen nu nieuwe verbindingen ontwikkelen die niet alleen op een energie-efficiënte manier waterstof kunnen produceren, maar zet daarbij ook duurzame energiebronnen in.

"Het doel van het Transregio Collaborative Research Centre 234 'CataLight', waarvan dit onderzoek een onderdeel is, is de productie van waterstof door water te splitsen met behulp van zonlicht, Weigand legt uit. "Met de kennis die is opgedaan met ons onderzoek, we werken nu aan het ontwerpen en onderzoeken van nieuwe katalysatoren op basis van de hydrogenasen, die uiteindelijk worden geactiveerd met behulp van lichtenergie."