## 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.