Het is onderzoekers van het Van 't Hoff-instituut van de Universiteit van Amsterdam gelukt om een katalysator te ontwikkelen geïnspireerd op een natuurlijk enzym om waterstof te produceren. De katalysator is gebaseerd op ijzer en daarom goedkoper en beter op te schalen dan platina.
De enzymen waar de katalysator op gebaseerd is, zijn de hydrogenase-enzymen. Deze enzymen kunnen zeer efficiënt moleculair waterstof maken uit elektronen en protonen. Vaak worden voor dit soort processen katalysatoren gebruikt, die zijn gebaseerd op platina. Dat is echter een schaars en duur element. Daardoor is de productie van waterstof met behulp van duurzame bronnen zoals wind- of zonne-energie alsnog niet commercieel haalbaar.
Hoofdauteur Joost Reek van het in Science Advances verschenen onderzoek legt aan Tweakers uit dat het onderzoeksteam waterstof ziet als een mogelijk belangrijke energiedrager. "Maar dat is alleen maar zinvol als je het op een duurzame manier kunt produceren, bijvoorbeeld met de zon als energiebron", zegt Reek. "We zijn in ons lab bezig met solar fuel devices, dus apparaten die water omzetten in zuurstof en waterstof. Je slaat dan de zonne-energie op in de chemische waterstofbinding. Als je dan de brandstof waterstof gebruikt, komt er alleen water vrij en dat is dus een duurzame bron."
"De natuur heeft een heel mooi systeem: hydrogenase", legt Reek uit. "Hydrogenases zijn net zo goed als platina. Je kunt daarmee net zo snel waterstof maken." Dat laatste toont dus aan dat ijzer goed te gebruiken is voor deze reactie. Er zit alleen wel een addertje onder het gras zegt Reek, namelijk dat hydrogenases zelf niet bruikbaar zijn in toepassingen en modelsystemen. Ook werken zij doorgaans niet goed en zijn zij niet in water oplosbaar. "We hebben gekeken in de literatuur naar hoe dat natuurlijke systeem werkt en er blijkt een tweede cluster naast het actieve centrum te zitten, een ijzer-zwavelcluster. Dit cluster slaat elektronen op als een reservoir vlakbij het reactiecentrum. In ons modelsysteem hebben we aan het actieve ijzercentrum een fosforligand gemaakt waar ook elektronen in op te slaan zijn. Die elektronen gaan in zo'n katalytische cyclus van het fosforligand naar het ijzercomplex, op eenzelfde wijze als in de natuur. Dan hebben we er nog stikstofhoudende of pyridinegroepen aan vastgemaakt, zodat het oplosbaar is in water en als bonus blijkt het ook nog te werken in een omgeving met zuurstof."
Voorgesteld mechanisme voor protonreductie (bron: Science)
In de meeste proefopstellingen gebruiken de onderzoekers een soort bekerglas met draadjes erin met een gekleurde oplossing, in dit geval met hun ijzercomplex als katalysator. Over de proefopstelling staat een spanning waarbij een van de elektrodes bestaat uit een goud-kwiklegering waar de waterstof wordt gevormd. "Maar er is nog wel een belangrijk issue dat we moeten oplossen", zegt Reek. “De overpotentiaal die nodig is om de katalytische reactie op gang te brengen, is nog te hoog. Onze katalysator begint pas bij 0,6 volt. Dat verschil zorgt voor warmteproductie doordat het nog geen optimale katalysator is. Dat probleem is in principe oplosbaar, want de natuur heeft er ook geen last van, we moeten dus nog beter naar de natuur kijken."
Reek gaat nog wat dieper in op mogelijk toekomstig onderzoek naar de levensduur van zo'n katalysator. "Stel, voor vervolgonderzoek zou je een zonnepaneel met dit systeem op je dak willen leggen, haalt de katalysator een levensduur van meer dan tien jaar? Daar hebben we nog geen antwoord op." Het onderzoek is onderdeel van het Biosolar Cells-programma van verschillende Nederlandse kennisinstellingen en bedrijven die als doel hebben om zonne-energie efficiënt te gebruiken en op te slaan.
Wetenschap
wacht...
