Tirong Guo vond materialen die efficiënte kunstmatige fotosynthese dichterbij brengen
Tirong Guo wist na noeste arbeid in het lab een groep materialen te ontwikkelen die een stabiele en efficiënte basis vormen voor kunstmatige fotosynthese. Zal het daarmee lukken op grote schaal en op z’n aller-duurzaamst waterstof en andere nuttige verbindingen te maken? Guo promoveert 21 januari.
Het zou geweldig zijn als het lukte: fotosynthese na-apen van de natuur. De aller-schoonste energie geleverd in de vorm van waterstof (H2) uit gesplitst water (H2O). Zuurstof (O) krijg je er gratis bij. CO2 uit de lucht halen kan ook. Planten gebruiken CO2 om suiker te maken, wij zouden er allerlei brandstoffen van kunnen maken. Chemicus Tirong Guo ziet het helemaal voor zich: ‘Als het mainstream zou worden, kunnen we met kunstmatige fotosynthese zonlicht direct omzetten in schone waterstof, CO2 uit de lucht halen, water ontzouten en zelfs duurzame meststoffen produceren. Kunstmatige groene planten kunnen steden voorzien van schone energie, zuurstof en andere milieuvoordelen.’
‘Kunstmatige fotosynthese daarentegen, biedt een éénstaps-proces.’
Echt een hele verbetering
Het zou echt een hele verbetering zijn ten opzichte van zonnepanelen en windparken, vervolgt ze. ‘Die hebben twee stappen nodig: ze zetten energie uit wind of zon om in elektriciteit, en die elektriciteit gebruiken we dan weer om groene waterstof te produceren.’ Elke stap brengt energieverlies met zich mee en verkleint zo de efficiëntie. Ook vereist dit tweestapsproces ingewikkelde infrastructuur voor energieopslag en -transport. ‘Kunstmatige fotosynthese daarentegen, biedt een éénstaps-proces.’
Exact de plant nadoen is niet de bedoeling
Het lukt wetenschappers nog niet om de volledige fotosynthesereactie na te bootsen – een ingewikkelde cyclus van deelreacties waarbij allerlei hulpstoffen betrokken zijn. Guo, die in het Chinese Tianjin haar studies in scheikunde en materiaaltechniek voltooide: ‘Het is ook niet de bedoeling om precies die natuurlijke reactie na te doen. Met andere mechanismen en synthetische materialen proberen we hetzelfde te doen. Maar dan niet met suikers als resultaat, maar bijvoorbeeld waterstof.’
Gedeelten van de reactie lukken al
Verschillende stappen van de reactie lukken al wel in het lab. Guo: ‘Er zijn al fotokatalysatoren waarin we met lichtenergie water kunnen splitsen in waterstof en zuurstof. Of CO₂ kunnen omzetten in brandstoffen als methaan of methanol.’ Die katalysatoren kun je vergelijken met de systemen in de bladgroenkorrels van planten, maar in het lab zijn het metaaloxiden en halfgeleiders die worden getest. ‘Ondanks vooruitgang schieten de efficiëntie en de stabiliteit van deze systemen tot nu toe tekort voor praktische en grootschalige toepassingen.’
Gezocht: efficiënt, stabiel en grootschalig toepasbaar systeem
Dus wat hebben we nodig? Lichtkatalysatoren die efficiënt, stabiel en grootschalig toepasbaar zijn. Daarnaar ging Guo op zoek. Ze richtte zich op Ba₂Bi₂O₆ (BBO) oftewel dubbel perovskiet. ‘De structuur en chemische eigenschappen van dit materiaal kun je aanpassen. Ik testte vele varianten. Die waren niet zomaar te koop, we moesten ze zelf maken in het lab.’ Systematisch onderzocht ze verschillende kristalstructuren. ‘Uit al die materialen probeerde ik efficiënte foto-elektroden te maken. Elke variant bracht zijn eigen uitdagingen met zich mee. Er zijn bijna geen andere studies waarin is gedocumenteerd hoe je deze materialen kunt toepassen en aanpassen. Daarom moest ik steeds zelf op zoek naar de optimale temperatuur, filmdikte, concentraties van toegevoegde stoffen… Dat heeft veel tijd gekost. Ik heb bijvoorbeeld een eigen synthese- en meetsysteem ontwikkeld, waarmee ook anderen mijn werk kunnen reproduceren.’
Eentje bleek indrukwekkend stabiel en uitstekend te presteren
Guo testte in totaal acht series met meerdere varianten en maakte een databank waarmee andere onderzoekers hun voordeel kunnen doen. ‘Uiteindelijk bleek een systeem waaraan ik La3+-ionen – lanthaan – toevoegde indrukwekkend stabiel en uitstekend te presteren. Een veelbelovend inzicht voor de toekomstige productie van duurzame waterstof.’
Het is duidelijk dat Guo haar veelbelovende resultaten niet bepaald cadeau kreeg. ‘Ondanks alle uitdagingen gaf dit pionieronderzoek me enorm veel voldoening. Ik vind het prachtig om bij te mogen dragen aan het onderzoek naar duurzame energie. Daar wil ik graag mee doorgaan, in het bedrijfsleven of in de wetenschap.’
Proefschrift en verdediging
Tirong Guo verdedigt op 21 januari haar proefschrift getiteld Perovskite-based Photoelectrochemical Investigations for Artificial Photosynthesis.