Menu

Zoek op
rubriek
Klimaatweb
0

Doorbraak kunstmatige fotosynthese dichterbij

Stel dat wij kunnen wat groene planten kunnen: fotosynthese. Dan zouden we onze enorme energiebehoefte kunnen stillen met diepgroene waterstof en klimaatneutrale biodiesel. De afgelopen decennia werkten wetenschappers er volop aan. Chemicus Chengyu Liu promoveert 8 juni op weer een stap die kunstmatige fotosynthese dichterbij brengt. Hij verwacht dat het over vijftig jaar gemeengoed is.

Universiteit Leiden 31 mei 2022

Nieuws-persbericht

Nieuws-persbericht

In principe kunnen we al fotosynthese tot stand brengen. Zonne-energie zet daarbij CO2 en water om in zuurstof en chemische verbindingen die we kunnen gebruiken als brandstof. Bijvoorbeeld waterstof, maar ook koolstofverbindingen zoals die ook in benzine zitten. Maar de kosten zijn hoger dan de waarde van de brandstof die het opbrengt. Als dat verandert, en we kunnen deze kunstmatige fotosynthese gigantisch opschalen, dan zijn al onze energieproblemen opgelost. Dan wordt de CO2-uitstoot van energieproductie negatief.

Veelbelovend, maar we zijn er nog niet

Hoe veelbelovend ook, we zijn er nog niet. Chengyu Liu, een van de gedreven onderzoekers die aan kunstmatige fotosynthese werkt: 'Nu dit onderwerp wereldwijd zo'n hot topic is, denk ik dat de eerste echte toepassing binnen twintig jaar een feit is.' Maar dan zijn we er nog niet, vervolgt hij. 'Na de introductie van een nieuwe technologie als deze, duurt het tientallen jaren voordat die gemeengoed wordt. Zo ging het ook na de uitvinding van de stoommachine in de negentiende eeuw. Ik vermoed dat het nog dertig tot vijftig jaar duurt voordat het grootschalig industrieel wordt toegepast.'

Echt groene waterstof

We hebben al auto's die rijden op waterstof, met alleen water als uitlaatgas. Maar het kost veel energie om die waterstof te maken. De 'groene waterstof' die nu al in omloop is, betekent alleen dat je die energie uit een windmolen of zonnepaneel haalt en niet uit kolen, gas of olie. Met fotosynthese komt die energie rechtstreeks van de zon, zonder dat een zonnepaneel eerst stroom moet aanleveren.

Geen nepbomen, wel enorme oppervlakken

Hoe ziet onze wereld eruit als kunstmatige fotosynthese de standaard is? Hebben we overal kunstbomen met duizenden kunstblaadjes staan om in onze energiebehoefte te voorzien? 'Inderdaad heb je enorme oppervlakte nodig om licht, CO2 en water(damp) op te vangen. Dat kan bijvoorbeeld in de vorm van zonnepanelen op daken. Of we plaatsen fotosynthese-apparaten in de woestijn, die overdag werken en 's nachts waterdamp opvangen.’

Goedkope energie met gratis zonlicht, zeewater en CO2

Er moeten veel meer verschillende manieren zijn om dit soort opstellingen te gebruiken, denkt Liu. ‘Als het eenmaal is gelukt de reacties zelf goedkoop en efficiënt te laten plaatsvinden, is de volgende stap om er apparaten voor te ontwikkelen die geschikt zijn voor grootschalige toepassingen.’ Liu ziet het helemaal voor zich: 'Het zou geweldig zijn als we zeewater kunnen gebruiken, want dat is niet schaars. We gebruiken dan een apparaat dat heel goedkoop energie maakt met gratis zonlicht, gratis zeewater en gratis CO2. Fossiele energie is daarmee vergeleken véél te duur.'

Twee onderdelen: watersplitsing en CO2-reductie

Kunstmatige fotosynthese bestaat net als de natuurlijke variant in groene planten uit twee onderdelen. Het eerste is watersplitsing waarbij watermoleculen opsplitsen in waterstof- en zuurstofmoleculen. In het tweede onderdeel ontstaan energierijke koolwaterstoffen uit CO2. In de natuur is dat glucose, in kunstmatige fotosynthese kunnen het ook andere stoffen zijn. 'Het doel is deze twee onderdelen in één systeem te bereiken, waarbij we aan de ene kant de hoeveelheid CO2 in de lucht verminderen, en aan de andere kant brandstoffen en zuurstof produceren.'

De ideale katalysator: efficiënt, goedkoop en goed verkrijgbaar

In zijn door de China Scholarship Council gefinancierde promotieonderzoek richtte Liu zich op de reactie waarmee je met watersplitsing waterstof en zuurstof kunt produceren. Een reactieversneller of katalysator kan helpen die reactie energiezuiniger te maken. Liu: 'Ik heb onder meer strategieën ontwikkeld om efficiëntere katalysatoren te ontwerpen. De ideale katalysator is niet alleen efficiënt, maar ook goedkoop en ruim voorhanden. Het moet geen zeldzaam metaal zijn bijvoorbeeld, dat je ergens met veel milieuschade vandaan moet halen.’

Een van de mooiste momenten

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

Twee echt belangrijke vondsten

Volgens Liu’s promotor, chemiehoogleraar Sylvestre Bonnet, deed Liu twee echt belangrijke vondsten in zijn onderzoek. ‘Ten eerste, dat nikkelporfyrinemoleculen onder fotokatalytische omstandigheden kunnen dienen als katalysator voor de extractie van elektronen uit water, een reactie die wateroxidatie wordt genoemd. De meeste efficiënte katalysatoren die tot nu toe voor deze reactie bestaan, zijn gebaseerd op ruthenium of iridium. Dat zijn zeldzame en dure metalen, dus niet geschikt voor grootschalig gebruik.’

Liu’s andere bevinding brengt een heel belangrijk en nieuw fundamenteel inzicht in het ontwerp van katalysatoren voor watersplitsing in pH-neutrale omstandigheden, aldus Bonnet. ‘We zijn nu hard bezig deze tegen-intuïtieve resultaten te begrijpen, samen met de groep van Francesco Buda van het LIC. Hoe dan ook ben ik ervan overtuigd dat dit resultaat zal leiden tot een veel geciteerd artikel!’

Liu's onderzoek leverde nieuwe ontwerpregels en ideeën op over hoe efficiënte kunstmatige fotosynthese tot stand kan komen. Liu: 'De resultaten bieden fundamenteel begrip, maar ook een praktische strategie om nieuwe katalysatoren voor wateroxidatie te vinden. Ik hoop mijn onderzoek voort te zetten en door te gaan met de zoektocht.'

Promotor Bonnet ziet Liu er wel bij zijn als onderzoekers een compleet systeem van kunstmatige fotosynthese realistisch maken. ‘Ik denk dat als mensen op een dag een manier vinden om efficiënte kunstmatige fotosynthese te realiseren, Chengyu een van hen zou kunnen zijn. Hij heeft de passie, het inzicht, de uitstekende wetenschappelijke instelling en hij is goed opgeleid.’

Tekst: Rianne Lindhout

Zie ook

Interessante studie: waterstof uit mix van ethanol en water

Veerkracht in de relatie mens-natuur biedt kansen

Artikel delen

Reacties

Laat een reactie achter