Brandstoffen vormen een cruciaal onderdeel van onze maatschappij en economie. Uit brandstoffen halen wij de energie die nodig is om te koken, ons te vervoeren en ons te verwarmen. Momenteel is het merendeel van de brandstoffen die wij gebruiken afkomstig uit fossiele brandstoffen. Dit zijn chemische verbindingen die zijn ontstaan uit organismen die lang geleden over het aardoppervlak rondzwierven, groeiden en bloeiden. Dit kan zowel voormalig plantaardig als dierlijk materiaal zijn. Nadat dit materiaal miljoenen jaren is blootgesteld aan extreme druk en temperaturen in de aardkorst is dit materiaal langzaam veranderd in de fossiele brandstoffen die wij momenteel gebruiken.
De steenkolen die worden verbruikt om elektriciteit op te wekken in moderne energiecentrales zijn lang geleden eigenlijk planten, dieren of algen geweest. Ook plastics worden gemaakt van fossiele brandstoffen zoals aardolie. Het is dus niet ondenkbaar dat de plastic Tyrannosaurus Rex, waar je vroeger mee hebt gespeeld, bestaat uit atomen die ooit onderdeel waren van een èchte Tyrannosaurus Rex.
Een plastic T. Rex. Boordevol echte T. Rex atomen?
Je zou kunnen zeggen dat, met uitzondering van kernenergie, alle energie die wij momenteel gebruiken afkomstig is van de zon. Dit kan verse zonne-energie zijn, bijvoorbeeld als je zonnepanelen op je dak hebt liggen, of zonne-energie die gedurende miljoenen jaren is opgeslagen is aardolie, aardgas, steenkolen en turf. Deze energie in deze stoffen komt vervolgens weer vrij wanneer je ze verbrandt.
Een nadeel van het gebruik van fossiele brandstoffen is dat bij de verbranding koolstofdioxide vrijkomt. Deze stof houdt warmte vast in de atmosfeer, waardoor de gemiddelde temperatuur op Aarde stijgt en de kans op extreem weer sterk toe neemt. We zullen ons in de toekomst moeten gaan voorbereiden op een toename van het aantal orkanen, overstromingen en andere vormen van extreem weer. Een ander nadeel is dat deze stoffen eindig zijn. De mensheid is druk bezig om in slechts enkele generaties de energie te verbruiken die in miljoenen jaren in fossiele brandstoffen is opgeslagen. Ook bevinden veel fossiele brandstofbronnen zich in regio’s waar men het niet zo nauw neemt met de mensenrechten of die politiek gezien zeer instabiel zijn. Wetenschappers zijn daarom op zoek naar alternatieven voor deze brandstoffen.
Waterstof als alternatief voor fossiele brandstoffen?
Hierbij komt zoals je ziet alleen maar water vrij. Waterstof als brandstof staat hierom volop in de belangstelling. Water draagt niet bij aan de opwarming van de aarde en is uiteraard niet giftig voor mens en dier.
Waterstofgas heeft een heel groot nadeel ten opzicht van benzine en diesel; het is een gas. Hierdoor neemt het enorme hoeveelheden ruimte in. Omdat waterstof zo'n klein molecuul is, heeft het ook de neiging om weg te lekken uit transportleidingen. Om waterstofgas vloeibaar te krijgen zijn zeer lage temperaturen en/of een zeer hoge druk nodig. Voor benzine en diesel gelden deze nadelen uiteraard niet. Het is vloeibaar en kan makkelijk over grote afstanden worden verplaatst.
Zoals je ziet is gasvormig waterstof niet echt interessant als energiedrager. Het neemt namelijk verschrikkelijk veel ruimte in. Vloeibaar waterstof is een heel stuk interessanter als energiedrager. Waterstof heeft bij een druk van 1 atmosfeer een kookpunt van 20,28K. Dat is -252,87°C. Er is veel energie nodig om waterstofgas vloeibaar te krijgen. Hierdoor treedt een energieverlies van 30% van de inhoud van de tank op als we waterstof in de vloeibare vorm willen gebruiken als energiedrager.
Waterstof is een belangrijke grondstof voor de chemische industrie. Er gaat dan ook veel geld in om, maar liefst 100 miljard dollar per jaar. Hoeveel er precies wordt geproduceerd wordt niet bijgehouden, maar het gaat om ongeveer 50 miljoen ton waterstofgas per jaar.
Maar een klein deel van de waterstofproductie wordt gebruikt voor het produceren van energie. Het merendeel is bestemd voor de productie van kunstmest. Hiervoor laat men waterstofgas reageren met stikstofgas onder hoge temperaturen om zo ammoniak te produceren, een belangrijke grondstof in de productie van kunstmest.
Productie van waterstofgas
Waterstofgas kan men grofweg op de volgende drie manieren produceren:
Via reforming van methaan
Via elektrolyse
Via kunstmatige fotosynthese
De reforming van methaan is hierbij veruit de meest gebruikte manier om waterstofgas te produceren. Meer dan 95% van het wereldwijd geproduceerde waterstof wordt op deze manier geproduceerd.
De koolstofmonoxide kan vervolgens nogmaals met water reageren om zo nog meer waterstof te produceren. Deze reactie is als volgt:
CO (g) + H2O (g) -> H2 (g) + CO2 (g)
Zoals je ziet komt er bij deze reactie koolstofdioxide vrij. Ook zijn er hoge temperaturen nodig om waterstofgas te produceren. Om deze te kunnen bereiken worden ook fossiele brandstoffen gebruikt. Deze manier van waterstofproductie is dus niet echt duurzaam te noemen en levert een substantiële bijdrage aan de wereldwijde productie van koolstofdioxide. Vandaar dat er alternatieven worden gezocht voor de productie van waterstof.
Een andere manier om water te splitsen is elektrolyse. In de figuur zie je wat er gebeurt bij elektrolyse. Twee elektroden worden in water geplaatst. Deze worden met een batterij verbonden. Hierdoor ontstaat aan de negatieve elektrode (kathode) een overschot aan elektronen en aan de positieve elektrode (anode) juist een tekort aan elektronen.
Bij de watersplitsingsreacties worden elektronen uitgewisseld. Dit is een redoxreactie die bestaat uit twee halfreacties, een reductiereactie en een oxidatiereactie. De ene vindt plaats aan de kathode en de andere aan de anode.
Aan de anode vindt bij voldoende hoge spanning en in een aangezuurde oplossing de volgende halfreactie plaats:
2 H2O -> O2 + 4H+ + 4e-
Aan de kathode vindt de volgende halfreactie plaats:
2H+ + 2e- -> H2
Dit is het absolute minimum waarbij deze reactie kan lopen. In de praktijk is dit echter bij lange na niet voldoende. Zo ontstaan er bubbels waterstofgas en zuurstof op de beide elektroden, deze zorgen ervoor dat er minder elektrodeoppervlak beschikbaar is voor de halfreacties, waardoor er een hogere spanning nodig is om deze in de praktijk te laten verlopen. Er zijn meer van dit soort praktische problemen, die ervoor zorgen dat er meer dan 1,23V nodig is voor elektrolyse van water. Het verschil tussen de 1,23V en de spanning die nodig is voor elektrolyse noemen we overpotentiaal. Om een zo efficiënt mogelijke elektrolyse mogelijk te maken moeten we er dus voor zorgen dat deze zo laag mogelijk is. Energie die nodig is om deze overpotentiaal te produceren is immers in feite weggegooide energie. Deze wordt niet direct gebruikt om waterstof te produceren.
Het produceren van 1 mol H2 uit water kost 474 kJ aan energie. Een andere eenheid voor energie is de electronvolt (eV). Dit is de energie die nodig is om een deeltje met lading -1 een potentiaalverschil van 1 volt te laten overbruggen. Deze eenheid wordt in de natuurkunde vaak gebruikt om te rekenen met zeer kleine energiehoeveelheden. 1eV staat gelijk aan 1,602 176 565 × 10–19J.
De constante van Avogadro beschrijft hoeveel deeltjes er in een mol stof zit. De constante heeft een waarde van 6,02 x 1023 mol-1. 1 mol stof bevat dus altijd 6,02 x 1023 deeltjes (moleculen of atomen).
Dit is gelijk aan de spanning die nodig is om water te splitsen in waterstof en zuurstof!
Bij het verbranden van waterstof komt de in waterstof opgeslagen energie weer vrij. Bij het verbranden van 1 mol waterstofgas komt 286kJ energie vrij. Dit is fors minder dan de 474kJ die het kost om 1 mol waterstofgas te maken uit water. Het verschil is een verlies.
Als we alle vrachtwagens in Nederland op waterstofgas geproduceerd door elektrolyseapparaten willen laten rijden is, moet er 117,35PJ extra elektrische energie worden opgewekt.
De benodigde energie kan duurzaam worden opgewekt met zonnecellen. Gemiddeld bereikt 200 W/m2 aan zonne-energie het aardoppervlak. Dit is een gemiddelde voor de hele wereld. Rondom de evenaar zal dit getal hoger zijn dan bij de polen en in Nederland bereikt in de zomer meer energie het aardoppervlak dan in de winter, omdat de zon in de zomer langer schijnt.
In werkelijkheid heb je natuurlijk veel meer oppervlakte nodig. Een auto die 100% efficiënt rijdt is natuurlijk niet realistisch. 60% efficiëntie is een realistischere waarde voor een auto met een brandstofcel. Ook een elektrolyseapparaat is natuurlijk niet 100% efficiënt. Daarnaast hebben we geen rekening gehouden met energieverliezen die optreden bij het transport van waterstofgas. Ook lekt waterstofgas weg, wat een efficiëntieverlies oplevert.
Kunstmatige Fotosynthese
Een andere manier om de energie uit zonlicht te gebruiken om brandstoffen te produceren is kunstmatige fotosynthese. Deze techniek staat momenteel nog in de kinderschoenen, en wordt nog niet op grote schaal toegepast. In de toekomst kan het wellicht een belangrijke bijdrage leveren aan de productie van waterstofgas. Een apparaat dat in staat is om de energie in licht om te zetten in een chemische brandstof noemen we een kunstmatig blad.
Fotosynthese ken je misschien nog wel uit de biologieles. Het is misschien wel de belangrijkste chemische reactie in de levende natuur. Planten, algen en sommige bacteriën gebruiken de energie uit zonlicht om koolstofdioxide en water om te zetten in glucose.
Zoals je ziet komt hier geen waterstof bij vrij. Hoewel het eindproduct glucose een belangrijke brandstof is voor de levende natuur, kunnen wij er geen auto op laten rijden of een huis mee verwarmen. Het eindproduct van deze reactie is dan ook niet interessant voor industriële toepassingen.
Een plant doet de fotosynthese eigenlijk in twee stappen. In de eerste stap oogst de plant het licht en gebruikt het de energie uit het licht om watermoleculen te splitsen in protonen, elektronen en zuurstofgas. In stap twee worden de protonen en elektronen gebruikt om koolstofdioxide uit de lucht om te zetten in suikers.
Dit eerste onderdeel wordt ook wel de lichtreactie genoemd. Het tweede deel noemen we de donkerreactie. Dit is eigenlijk een heel erg slecht gekozen naam. Het impliceert namelijk dat de donkerreacties alleen maar in het donker plaatsvinden. Dit is niet het geval. Ook als een plant in het licht staat zal deze koolstofatomen uit koolstofdioxide in suikers omzetten.
Ook de eindproducten van de lichtreacties; protonen en elektronen, zijn niet direct nuttig voor industriële toepassingen. Waar ontwikkelaars van deze apparaten echt in zijn geïnteresseerd is waterstofgas. Functionele kunstmatige bladeren zijn op kleine schaal al beschikbaar. Dit zijn prototypes en deze zijn nog veel te duur, instabiel of inefficiënt om op grote schaal toepasbaar te zijn. Toch is dit een techniek met heel veel potentie, waardoor er veel wetenschappelijk onderzoek wordt gedaan naar deze apparaten.
Het simpelste kunstmatige blad ziet er uit zoals in bovenstaande afbeelding. Aan de anodekant wordt water gesplitst in zuurstof, elektronen en protonen. De elektronen reizen via een draad naar de kathodekant. De protonen die zijn gevormd kunnen door de vloeistof naar de kathode bewegen. Aan de kathodekant recombineren de protonen en elektronen weer tot waterstofatomen. Aan de anode ontstaat dus zuurstof, aan de kathode ontstaat waterstof.
Een werkend kunstmatig blad bestaat uit drie onderdelen, namelijk:
Een stof die in staat is om licht te absorberen.
Een katalysator die de splitsing van water in protonen, elektronen en zuurstof kan katalyseren.
Een katalysator die de productie van waterstof kan katalyseren.
In ideale omstandigheden zijn deze onderdelen, goedkoop, niet giftig en stabiel. Dit klinkt een stuk eenvoudiger dan het in de praktijk is. Zo wordt een waterstofkatalysator momenteel vaak van platina gemaakt. Dit materiaal is nog duurder dan goud, waardoor een kunstmatig blad met platina onderdelen economisch gezien niet haalbaar is.
Laten we eens wat gedetailleerder kijken naar de werking van ons kunstmatig blad. Om het blad goed te kunnen begrijpen is het van belang dat je weet wat een halfgeleider precies is en hoe deze werkt.
Halfgeleiders zitten qua elektrische eigenschappen tussen een geleider en een isolator in. In een isolator zitten de elektronen van de stof zeer sterk gebonden aan de atoomkernen. Dit betekent dat de elektronen niet kunnen bewegen en dus geen stroom kunnen doorgeven.
In Metalen zitten de elektronen in de valentieschil losjes gebonden aan de atoomkern. Deze kunnen hierdoor eenvoudig van het ene naar het andere atoom springen. Deze stroom van elektronen noemen we elektrische stroom. Metalen zijn hierdoor goede geleiders. Elementen waar de elektronen juist erg vast aan de kern zitten noemen we niet-metalen. Halfgeleiders zitten qua elektrische eigenschappen tussen een geleider en een isolator in. De elementen die deze eigenschappen bezitten noemen we ook wel metalloïden of semimetalen. Silicium is de belangrijkste van deze metalloïden. Halfgeleiders vormen de basis van de moderne wereld. Ze zijn onmisbaar voor de productie van onder meer computers, LED-verlichting en lasers.
In een halfgeleider zijn de elektronen normaalgesproken gebonden aan de atoomkern, waardoor ze niet kunnen bewegen en geen elektriciteit geleiden. Deze toestand, waarin geen externe energie aan de halfgeleider wordt toegevoegd, noemen we de grondtoestand. Wanneer een halfgeleider externe energie absorbeert, bijvoorbeeld in de vorm van warmte of licht, kunnen de elektronen geëxciteerd raken. Dit betekent dat ze verder van de atoomkern komen te zitten en hierdoor mobiel worden. Een halfgeleider kan nu wèl elektriciteit geleiden. Het verschil tussen de grondtoestand en de toestand waarin een halfgeleider elektriciteit geleidt, noemen we de band gap. Deze band gap is een fundamentele eigenschap van een halfgeleider. Dat wil zeggen dat deze afhankelijk is van het soort materiaal. Silicium heeft een andere band gap dan boor en germanium heeft een andere band gap dan arsenicum.
Een halfgeleider kun je bijvoorbeeld geleidend maken door hem te verwarmen. Op deze manier voeg je energie toe aan de atomen van de halfgeleider, waardoor de elektronen geëxciteerd raken en mobiel worden.
Een andere manier waarop halfgeleiders energie kunnen opnemen is door licht te absorberen. Licht bestaat uit een stroom deeltjes die we fotonen noemen. Wanneer de elektronen in een halfgeleider een foton opnemen komen ze verder van de atoomkern af te zitten en worden ze mobiel.
Dit gebeurt ook in ons kunstmatig blad. De halfgeleider in de opstelling absorbeert fotonen, waardoor de elektronen verder van de kern komen te zitten en mobiel worden. Hierdoor ontstaat een stroom in het kunstmatig blad. Dit alles zie je in onderstaande afbeelding samengevat.
Zodra een elektron in de halfgeleider een foton absorbeert wordt deze mobiel. Hierdoor kan dit elektron naar de kathodekant reizen, waar het met een proton reageert tot waterstof. Deze reactie wordt door een katalysator enorm versneld. Aan de anodekant wordt water gesplitst in zuurstof, protonen en elektronen. De protonen bewegen zich door de oplossing naar de kathodekant, terwijl de elektronen door een draad naar de halfgeleider bewegen.
Fotonen hebben een bepaalde energie-inhoud. Deze is afhankelijk van de golflengte van een foton. Fotonen met een korte golflengte hebben meer energie-inhoud dan fotonen met een lange golflengte. Fotonen met extreem korte golflengtes hebben zelfs zoveel energie-inhoud dat ze gevaarlijk kunnen zijn voor mens en dier.
In bovenstaande figuur zie je het volledige spectrum van fotonen. Zoals je ziet is zichtbaar licht maar een klein onderdeel van het volledige fotonenspectrum, dat loopt van gammastraling tot radiostralen.
Dat sommige van deze fotonen schadelijk voor je zijn, weet je misschien wel. Zo kun je lelijk verbranden door UV-straling als je je niet insmeert en kunnen of Röntgenstralen tot kanker lijden wanneer je er te lang aan bloot gesteld wordt. Een van de ontdekkers van dit soort straling, Marie Curie, betaalde de hoogste prijs voor haar ontdekking. Ze overleed aan kanker na langdurige blootstelling aan straling.
Gelukkig wordt het merendeel van de schadelijke fotonen die door de zon worden uitgestraald door de atmosfeer geabsorbeerd. Deze bereiken hierdoor het aardoppervlak niet. Zonder deze filtering zou leven zoals wij dat nu kennen niet mogelijk zijn.
Om ons kunstmatig blad van voldoende energie te kunnen voorzien zijn fotonen nodig met een bepaalde energie-inhoud, namelijk 1,23eV. De relatie tussen golflengte en energie-inhoud wordt gegeven door de volgende formule:
Hierin is E de energie-inhoud van een foton, h de constante van Planck, c de lichtsnelheid en λ de golflengte van het foton.
De halfgeleider die wordt gebruikt in ons kunstmatig blad moet ook aan bepaalde eigenschappen voldoen. De band gap van de halfgeleider moet overeen komen met de energie die nodig is om de reactie uit te voeren. Silicium, wat meestal wordt gebruikt voor de productie van zonnecellen, heeft een band gap van 1,12eV. Dat wil zeggen dat een elektron in silicium minimaal 1,12eV aan energie moet absorberen om mobiel te worden.
Een halfgeleider kan geen fotonen absorberen die een energie hebben die in de band gap valt. Deze fotonen zullen dwars door de halfgeleider vliegen. Je zou ook kunnen zeggen dat de halfgeleider transparant is voor deze kleuren licht.
De maximale golflengte die een halfgeleider kan absorberen noemen we de cutoff golflengte. Deze bepaalt ook het maximale potentiaalverschil dat bereikt kan worden. Voor silicium is dit dus 1,12V. Dat betekent ook dat een siliciumzonnecel maximaal 1,12V aan potentiaal kan opwekken.
Standaard AA alkaline batterijen leveren een spanning van 1,5V. Als dit onvoldoende is, moet je als gebruiker meerdere batterijen in serie schakelen. Om een mobiele spelcomputer die een spanning van 6V nodig heeft, te kunnen gebruiken, heb je dus 4 batterijen van 1,5V nodig. Voor zonnecellen geldt hetzelfde.
Dit levert een probleem op. Fotonen die door deze halfgeleider kunnen worden geabsorbeerd bereiken slechts voor een klein deel het aardoppervlak, doordat deze door de atmosfeer worden weg gefilterd. Deze halfgeleider zal maar een klein percentage van de fotonen kunnen omzetten in chemische energie en is dus niet echt geschikt voor een kunstmatig blad.
In bovenstaande figuur zie je het lichtspectrum dat het aardoppervlakte bereikt. Zoals je ziet bereikt maar weinig UV licht het aardoppervlak en ook licht boven de 1300nm bereikt nauwelijks het aardoppervlak. Een halfgeleidend materiaal dat licht in deze regionen absorbeert is dan ook niet echt nuttig voor een kunstmatig blad.
Laten we eens kijken welk deel van het licht de natuur gebruikt voor fotosynthese.
In bovenstaande grafiek kun je zien welk deel van het licht een plant gebruikt voor fotosynthese. Een plant doet dus niets met licht met een golflengte boven de 700nm. Dit betekent dat een plant met 50% van het licht dat het aardoppervlakte bereikt niets doet.
Fotosynthese in de natuur is in feite een systeem dat bestaat uit twee in serie geschakelde lichtabsorberende halfgeleiders. Een plant bevat namelijk twee lichtabsorberende eiwitclusters die gezamenlijk de elektronen het benodigde potentiaalverschil laten overbruggen. Een van deze clusters heeft een cutoff van 680nm en de andere heeft een cutoff van 700nm.
Dit is ruim genoeg om de watersplitsingsreactie te laten lopen. Het nadeel van deze opstelling is dat beide clusters met elkaar concurreren voor invallende fotonen. Beiden kunnen immers fotonen invangen met een golflengte korter dan 680nm. Alleen fotonen tussen de 680 en 700nm kunnen maar door een van de twee clusters worden geabsorbeerd.
De halfgeleider in een ideaal kunstmatig blad heeft deze overlap niet, maar wekt tegelijkertijd wel voldoende potentiaal op om water te kunnen splitsen. Een ideaalscenario voor een kunstmatig blad bestaande uit twee halfgeleiders zie je hieronder. Eén halfgeleider absorbeert hier fotonen tot 700nm en een andere halfgeleider absorbeert fotonen van 700nm tot 1100nm. Eentje absorbeert hier zichtbaar licht en de andere infrarood licht.
In bovenstaande afbeelding zie je schematisch wat er in het eerder beschreven systeem gebeurt. Een halfgeleider absorbeert 4 fotonen zichtbaar licht, waardoor 4 elektronen worden geëxciteerd tot een potentiaal van 1,77V. Hierna worden de geëxciteerde elektronen doorgegeven aan een tweede halfgeleider. Deze absorbeert nogmaals vier elektronen, waardoor de elektronen 1.13V extra potentiële energie krijgen. Hierdoor hebben de elektronen een totale potentiaal van 2.90V. Voldoende om de watersplitsingsreactie en waterstofproductiereactie te kunnen laten plaatsvinden.
De elektronen worden weer aangevuld uit water dat door een katalysator wordt gesplitst. Hierbij komt zuurstofgas vrij, dat als gas ontsnapt. De protonen die bij het splitsen van water vrijkomen verplaatsen zich naar de anode. Hier worden ze gereduceerd door de elektronen die eerder zijn vrijgekomen aan de kathodekant. Op deze manier is de cirkel rond.
Wetenschappers zijn momenteel druk op zoek naar materialen die aan de benodigde eisen voldoen, namelijk:
Halfgeleidend zijn.
Het hebben van een band gap die voldoende potentiaal op wekt en tegelijkertijd voldoende fotonen absorbeert.
Daarnaast moet het materiaal voldoen aan economische en maatschappelijke eisen zoals:
Goedkoop zijn.
Niet uit zeldzame materialen bestaan.
Niet giftig zijn.
Het liefst niet afkomstig uit politiek-economische probleemgebieden.
Ook moet het materiaal niet zelf geoxideerd worden onder blootstelling aan licht. Dit is een van de grootste problemen in kunstmatige fotosynthese. Hierdoor zijn veel prototypes niet stabiel en gaan ze slechts enkele uren tot dagen mee.
De katalysatoren
Alleen met een halfgeleider die de juiste hoeveelheid energie kan leveren zijn we er nog niet. Beide halfreacties, de splitsing van water en de productie van waterstofgas, moeten worden gekatalyseerd. Zonder katalysatoren verlopen beide halfreacties veel te traag.
Dit levert ook een probleem op voor onze katalysatoren. Bij de splitsing van water komen vier elektronen vrij, terwijl er per geabsorbeerd foton maar één elektron wordt geëxciteerd. Een katalysator die water moet splitsen moet een hierdoor in verschillende oxidatietoestanden kunnen verkeren. In andere woorden, een katalysator moet in staat zijn om de vier elektronen die vrijkomen bij de splitsing van water op te slaan en één voor één door te geven aan de halfgeleider. Deze kan vervolgens de elektronen exciteren tot de minimaal benodigde potentiaal voor protonreductie aan de anodekant.
Laten we eerst eens kijken hoe de natuur dit voor elkaar krijgt. Planten bevatten een eiwitcluster dat het Oxygen Evolving Complex of OEC heet. In dit eiwitcluster zitten vier mangaanatomen en een calciumatoom dat de oxidatie van water katalyseert. Hoe het OEC dit precies doet, is momenteel nog niet helemaal duidelijk, hier wordt wel heel veel onderzoek naar gedaan.
Het hele OEC kan in vijf verschillende redoxtoestanden zitte. Deze toestanden worden S0 tot S4. Het getal slaat hier op de redoxtoestand van het OEC. Anders gezegd, in toestand S2 heeft het OEC een tekort van 2 elektronen en een lading van +2. Toestand S4 is instabiel en reageert met water, waardoor het vier elektronen opneemt en terugvalt naar toestand de neutrale toestand S0. Hierbij komt zuurstofgas vrij. Vervolgens doneert het OEC de elektronen één voor één aan P680. Dit is een eiwit dat in staat is om licht te absorberen en hiermee de elektronen te exciteren. Het speelt hiermee een vergelijkbare rol als de halfgeleider in ons kunstmatige blad.
Dit gaat razendsnel. Een volledige redoxcyclus van het OEC, waar het van S0 naar S4 en weer terug naar S0 gaat duurt minder dan 1.5 ms.
Cruciaal in het OEC is de rol van de mangaanatomen. Deze zijn dan ook van onschatbare waarde voor een plant, zonder mangaan kan een plant geen water oxideren, waardoor hij snel zal sterven. De meeste kunstmestsoorten bevatten hierom ook mangaan.
Momenteel zijn er al werkende prototypes van watersplitsende katalysatoren. Sommige gebruiken hiervoor ook mangaan, anderen gebruiken kobalt. Wel hebben ze allemaal gemeen dat ze geïnspireerd zijn door de manier waarop de natuur deze reactie katalyseert. De katalysatoren hebben allemaal een vergelijkbare driedimensionale structuur als het natuurlijke OEC. Toch is er nog veel onderzoek nodig in dit gebied. Vaak zijn deze katalysatoren te duur, of instabiel op de lange termijn.
De waterstofkatalysator
De andere katalysator die we nodig hebben moet protonen kunnen reduceren tot waterstof. Bij de productie van waterstofgas zijn twee elektronen betrokken, waardoor dit een eenvoudigere halfreactie is dan de splitsing van water, waar vier elektronen voor nodig zijn. Een nadeel is dat er in de natuur geen vergelijkbare reactie wordt gekatalyseerd, waardoor wetenschappers zelf creatief op zoek moeten naar een katalysator.
Momenteel wordt vooral platina gebruikt voor de katalyse van deze reactie. Platina is verschrikkelijk duur (zelfs duurder dan goud) en komt heel weinig voor op Aarde. Het is daarom zowel praktisch als economisch niet haalbaar om platina als katalysator te gebruiken als we kunstmatige bladeren op zeer grote schaal willen produceren.
Andere eindproducten
In deze lesmodule hebben we vooralsnog vooral gekeken naar het produceren van waterstof. Laten we even terug gaan naar de natuur zelf en kijken wat een plant precies produceert.
Een plant produceert deze stoffen in de donkerreacties. Hij gebruikt hiervoor de energie uit zonlicht die hij in de lichtreacties heeft opgeslagen in de chemische verbindingen ATP en NADPH. Een plant doet dit met een tussenstap. Het produceert immers eerst energiehoudende verbindingen, die het later gebruikt om koolstofdioxide uit de lucht te kunnen invangen. Met kunstmatige fotosynthese is het wellicht mogelijk om dit proces directer uit te voeren. In dat geval worden hoogenergetische elektronen uit de halfgeleider in de opstelling die we eerder hebben behandeld gebruikt om atmosferisch koolstofdioxide te reduceren tot bijvoorbeeld mierenzuur (HCOOH) of methaan (CH4).
Hiervoor is wel een extra hoge overpotentiaal nodig dan voor de productie van waterstofgas. Ook zijn er bij deze reactie vier elektronen betrokken in plaats van twee, wat weer andere eisen stelt aan de katalysatoren die nodig zijn. Ook zit er in de atmosfeer een te lage concentratie koolstofdioxide om dit proces efficiënt te laten verlopen. De koolstofdioxide dient dus eerst gecomprimeerd te worden, wat extra energie met zich mee brengt.
Samengevat
Laten we eens gaan kijken wat de theoretische potentie van kunstmatige fotosynthese is. Laten we hiervoor drie verschillende eindproducten met elkaar vergelijken. Waterstof, mierenzuur en methaan. In onderstaande tabel zijn de halfreacties weergegeven aan de productiekant. De halfreactie voor het splitsen van water, waarmee de elektronen en protonen worden verkregen zijn voor alle drie identiek.
Een maat voor het aantal fotonen dat het aardoppervlak bereikt is de mol. We rekenen hier met de mol net zoals we dat voor chemische reacties doen. 1 mol fotonen bestaat hier uit 6,022 x 1023 deeltjes, net zoals 1 mol van elke andere stof uit 6,022 x 1023 deeltjes bestaat.
Gemiddeld bereiken er 10 tot 120 mol fotonen per vierkante meter per dag het aardoppervlakte. Dit is verschillend van de locatie waar je je bevindt, van het seizoen en van het weer. In Nederland is dit ongeveer 40 mol per vierkante meter per dag.
Dit is vergelijkbaar met het oppervlak van de gemeente Rotterdam. De panelen die de brandstoffen produceren hoeven natuurlijk niet in een weiland te staan, maar kunnen op daken van bestaande bebouwing worden geplaatst. Zo kun je bijvoorbeeld waterstof voor je eigen auto produceren op het dak van je garage.
Het arrangement Kunstmatige Bladeren is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteurs
Lutz Lohse
Laatst gewijzigd
2015-12-03 10:09:01
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 3.0
Nederlands licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of
bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten
terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI
koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI
koppeling aan te gaan.
Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.
Arrangement
IMSCC package
Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.
Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en
het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op
onze Developers Wiki.
