Stel je voor dat we zouden kunnen doen wat groene planten kunnen doen:fotosynthese. Dan kunnen we onze enorme energiebehoefte voorzien met diepgroene waterstof en klimaatneutrale biodiesel. Wetenschappers zijn hier al decennia mee bezig. Chemicus Chengyu Liu promoveert op 8 juni op weer een stap die kunstmatige fotosynthese dichterbij brengt. Hij verwacht dat het over vijftig jaar gemeengoed is.

In feite kunnen we al fotosynthese bereiken zoals groene planten dat kunnen. Zonne-energie zet CO₂ . om en water in zuurstof en chemische verbindingen die we als brandstof kunnen gebruiken. Waterstof bijvoorbeeld, maar ook koolstofverbindingen zoals die in benzine voorkomen. Maar de kosten zijn hoger dan de waarde van de brandstof die het oplevert. Als dat verandert, en we deze kunstmatige fotosynthese gigantisch kunnen opschalen, dan zijn al onze energieproblemen opgelost. Dan CO₂ uitstoot van energieproductie wordt negatief.

Veelbelovend, maar we zijn er nog niet

Hoewel het veelbelovend klinkt, zijn we er nog niet. Chengyu Liu, een van de toegewijde onderzoekers die werkt aan kunstmatige fotosynthese:"Nu dit onderwerp wereldwijd zo'n hot topic is, denk ik dat de eerste echte toepassing hiervan binnen twintig jaar een feit zal zijn." Maar dat is niet alles, vervolgt hij:“Na de introductie van een nieuwe technologie als deze duurt het altijd tientallen jaren voordat het gemeengoed wordt. Zo was het ook na de uitvinding van de stoommachine in de negentiende eeuw. nog dertig tot vijftig jaar voordat het op grote schaal industrieel wordt gebruikt."

Echte groene waterstof

We hebben al auto's die op waterstof rijden, met alleen water als uitlaatgas. Maar het kost veel energie om die waterstof te maken. De "groene waterstof" die we tegenwoordig produceren, betekent alleen dat we de energie om het te produceren uit een windmolen of zonnepaneel halen, en niet uit kolen, gas of olie. Bij fotosynthese komt die energie direct van de zon, zonder dat een zonnepaneel eerst stroom hoeft te leveren.

Geen nepbomen, maar enorme oppervlakken nodig

Hoe zou onze wereld eruitzien als kunstmatige fotosynthese de standaard zou zijn? Zouden we overal kunstbomen met kunstbladeren hebben om in onze energiebehoefte te voorzien? "Je hebt inderdaad enorme oppervlakken nodig om het licht op te vangen, CO₂ gas en water (damp). Dit kan bijvoorbeeld in de vorm van zonnepanelen op daken. Of we kunnen fotosyntheseboxen in de woestijn plaatsen, overdag werken en 's avonds waterdamp opvangen. Er moeten veel meer verschillende manieren zijn om dit soort opstelling te gebruiken. Zodra we het prijsprobleem van de reacties zelf met succes hebben opgelost, is de volgende stap de optimalisatie van apparaten voor grootschalige toepassingen."

Liu ziet het al helemaal voor zich:"Het zou mooi zijn als we zeewater zouden kunnen gebruiken, want het is niet schaars. We zouden dan een apparaat gebruiken dat heel goedkoop energie opwekt met gratis zonlicht, gratis zeewater en gratis CO₂ . Fossiele energie zou in vergelijking veel te duur zijn."

Twee componenten:watersplitsing en CO₂ vermindering

Kunstmatige fotosynthese bestaat, net als de natuurlijke variant in groene planten, uit twee delen. Een daarvan is water dat zich splitst in waterstof en zuurstof. De andere is de reductie van kooldioxide tot energierijke koolwaterstoffen. Het doel is om deze twee delen te realiseren in één systeem dat enerzijds de CO₂ . vermindert inhoud van de lucht, en produceert aan de andere kant brandstoffen en zuurstof.

De ideale katalysator:efficiënt, goedkoop en direct beschikbaar

In zijn Ph.D. onderzoek richtte Liu zich op het eerste deel van watersplitsing, waarbij waterstof en zuurstof worden geproduceerd. Een reactieversneller of katalysator kan helpen om die reactie energiezuiniger te maken. Liu:"Ik heb onder andere strategieën ontwikkeld om efficiëntere katalysatoren te ontwerpen. De ideale katalysator is niet alleen efficiënt, maar ook goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar. Het moet bijvoorbeeld geen zeldzaam metaal zijn dat je ergens vandaan moet halen met veel milieuschade."

Een van de beste momenten

Het vinden van de ideale katalysator is een van de grootste uitdagingen in het onderzoeksveld, zegt Liu. "Een van de beste momenten in mijn onderzoek was toen ik een nieuwe strategie vond om een ​​katalysator voor waterstofproductie te ontwerpen, midden in een pH-neutrale omgeving."

Liu's onderzoek leverde nieuwe ontwerpregels en ideeën op voor het bereiken van efficiënte kunstmatige fotosynthese. "De resultaten bieden fundamenteel inzicht en een praktische strategie voor het vinden van nieuwe katalysatoren voor wateroxidatie. Ik hoop mijn onderzoek voort te zetten. Uiteindelijk zou ik graag een van de onderzoekers zijn die een compleet systeem van kunstmatige fotosynthese bereikt."

Promotor Bonnet ziet wel dat Liu erbij is als onderzoekers een compleet systeem van kunstmatige fotosynthese realistisch maken. "Mijn gevoel is dat als mensen op een dag een manier vinden om efficiënte kunstmatige fotosynthese te realiseren, of een manier om een ​​kunstmatig blad te maken, Chengyu een van hen zou kunnen zijn. Hij heeft de passie, het begrip, de uitstekende wetenschappelijke houding en hij heeft ontvangen uitstekende opleiding." + Verder verkennen

Toenemende efficiëntie in kunstmatige fotosynthese