## 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.