Nieuwe techniek om zonlicht om te zetten in brandstof: half-kunstmatige fotosynthese

Onderzoekers hebben aangetoond dat het mogelijk is om met zonlicht watermoleculen op te breken in zuurstof en waterstof. Dit deden ze met een half-kunstmatig fotosynthese-systeem, geïnspireerd op een verloren gewaande eigenschap van algen. 

Schematische weergave van fotosynthese in planten, waarbij uit koolstofdioxide (CO2), water (H2O) met zonlicht, zuurstof (O2) en suiker (C6H12O6) gemaakt wordt. Bron: Pixabay, MAKY_OREL

Waterstofgas is een schone brandstof. Bij de verbranding komen geen broeikasgassen vrij, enkel water. Door te knutselen met fotosynthese van planten en algen lukte het een internationale onderzoeksgroep om met zonlicht uit water deze schone brandstof te maken.

Beste van twee werelden

Fotosynthese is het proces waarbij planten met zonlicht, koolstofdioxide en water omzetten in zuurstof en energie in de vorm van suikers. De zuurstof komt vrij als de watermoleculen opgesplitst worden in zuurstof en waterstofatomen. In planten worden de waterstofatomen gebruikt om suiker te maken. Maar de atomen kunnen ook gebruikt worden om waterstofgas te maken.

De onderzoeksgroep bouwde een zogenoemde foto-elektrochemische cel. Deze cel bestaat gedeeltelijk uit organische onderdelen, afkomstig van planten en algen, en gedeeltelijk uit kunstmatige onderdelen. Volledig natuurlijke fotosynthese is namelijk niet erg efficiënt. En voor compleet kunstmatige fotosynthese zijn giftige materialen nodig.

Daarom combineren onderzoekers het beste van twee werelden. Hun half-kunstmatige systeem absorbeert het zonlicht efficiënter dan natuurlijke fotosynthese en bevat geen giftige materialen.

Half-kunstmatige cel

In de half-kunstmatige foto-elektrochemische cel combineren de onderzoekers de kunstmatige technieken met door de natuur gefabriceerde onderdelen. Ze gebruiken het zogenoemde fotosysteem II en het enzym hydrogenase uit planten en algen en kunstmatige metaaloxiden, kleurstoffen en polymeren.

Proefopstelling van de half-kunstmatige foto-elektrochemische cel, beschenen met een simulatie van zonlicht. Bron: Katarzyna Sokol.

Fotosysteem II is (vreemd genoeg) de eerste stap van fotosynthese. Dit systeem absorbeert het rode en blauw licht uit zonlicht. Samen met een kunstmatige kleurstof die groene licht absorbeert, wordt bijna al het zichtbare licht opgenomen door het systeem. Een kunstmatig polymeer voegt de energie uit de verschillende kleuren licht samen.

Met die energie zetten fotosysteem II en hydrogenase water om in zuurstof en waterstof. Hydrogenase is een enzym uit algen dat in staat is om waterstofatomen (H) samen te voegen tot waterstofgasmoleculen (H2). ‘Tijdens de evolutie van algen bleek deze functie overbodig en werd het enzym uitgeschakeld’, zegt Katarzyna Sokol, promovendus bij de University of Cambridge. ‘Maar het is ons gelukt om het enzym weer ‘aan’ te zetten.’ Sokol is de eerste auteur van het onderzoeksartikel.

Alle reacties vinden plaats op een structuur van geleidende materialen. Die houdt als een steiger alle onderdelen bij elkaar en verbindt ze. Hierbij zit de hydrogenase aan een kathode. Daar ontstaat waterstofgas. Fotosysteem II zit vast aan een anode, waar dus zuurstof gemaakt wordt.

‘Het systeem dat we gebouwd hebben is een proof of concept’, zegt Sokol. ‘Het is nog te kwetsbaar om gebruikt te worden als grootschalige technologie. Maar de onderdelen in de opstelling kunnen gemakkelijk vervangen worden. We kunnen er dus verder onderzoek mee doen; op zoek naar een stevigere constructie.’

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees ook:

Over de auteur

Dorine Schenk

Dorine Schenk is freelance wetenschapsjournalist voor o.a. NRC en New Scientist. Ze studeerde (astro-)deeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam. Daarnaast houdt ze van hardlopen. Volg haar op Twitter via @dorineschenk.



2 Reacties

  • Winfried Roseboom

    | Beantwoorden

    “Onderzoekers hebben aangetoond dat het mogelijk is om met zonlicht watermoleculen op te breken in zuurstof en waterstof. Dit deden ze met een half-kunstmatig fotosynthese-systeem, geïnspireerd op een verloren gewaande eigenschap van algen”
    Er is hier geen sprake van verloren eigenschappen van algen, maar een combinatie van Photosysteem II uit een alg gecombineerd met een NiFeSe hydrogenase uit een sulfaat reducerende bacterie. De extra gesynthetiseerde onderdelen zijn bedoeld voor de extra efficiënte licht invanging en elektrische connectie tussen fotosysteem en hydrogenase.

  • Winfried Roseboom

    | Beantwoorden

    Uiteraard wel leuk dat dit gelukt is om een tijdje draaiend te krijgen in het lab.

Plaats een reactie