Doorbraak in Kunstmatige Fotosynthese voor Schone Chemie

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge en andere vooraanstaande instellingen hebben een kunstmatig blad onthuld. Het unieke ontwerp kan fotosynthese nabootsen en biedt daardoor toepassingsmogelijkheden in verschillende belangrijke industrieën. Zo kunnen kunstmatige bladeren bijdragen aan een groenere chemische industrie en nog veel meer.

De chemische industrie

Chemieproducenten spelen een cruciale rol in de huidige economie. Ze leveren de basisingrediënten voor onder meer kunstmest, geneesmiddelen, kunststoffen en cosmetica. Volgens recente rapporten is de mondiale chemische industrie in 2025 een enorme en complexe markt met een waarde van ruim 6,324 biljoen dollar, 2,3% meer dan een jaar eerder. Al die groei en productie brengen echter ook milieukosten met zich mee.

Belangrijkste vervuiler

De chemische industrie verbruikt ongeveer 10% van alle fossiele brandstoffen en veroorzaakt wereldwijd 5 tot 6% van de CO₂-uitstoot. Daarnaast is de sector verantwoordelijk voor 20% van het zoetwatergebruik. Rapporten laten zien dat wereldwijd meer dan 100 miljoen chemische stoffen kunstmatig zijn vervaardigd als direct gevolg van chemische productie.

Schadelijke stoffen zoals persistente organische verontreinigende stoffen (POP’s), per- en polyfluoralkylstoffen (PFAS) en hormoonverstorende stoffen (EDC’s) schaden het milieu en zijn bewoners rechtstreeks. Ze blijven tientallen jaren in het milieu aanwezig en kunnen zich zelfs met andere stoffen verbinden tot nog schadelijkere verbindingen.

Synthetische katalysator

Ingenieurs zoeken al jaren naar manieren om dit complexe probleem aan te pakken. Ze ontleden de sector daarom stap voor stap en onderzoeken iedere mogelijkheid om het gebruik van fossiele grondstoffen terug te dringen. Eén strategie richt zich op synthetische katalysatoren of anorganische halfgeleiders.

Synthetische katalysatoren zijn door mensen gemaakte stoffen die complexe chemische reacties versnellen zonder het beoogde resultaat te veranderen. Ze worden gebruikt voor uiteenlopende processen, van het kraken van aardolie tot de productie van kunststoffen. Er is daarom veel belangstelling voor het vervangen van alle reactieve hulpstoffen, zoals Good-buffers, elektronenmediatoren en opofferingsreagentia.

Huidige oplossingen

Semi-kunstmatige fotosynthese wint als aanpak steeds meer terrein. Deze methode versnelt chemische reacties met foto-elektrochemische biohybriden. Met biotechnologisch aangepaste enzymen kunnen complexe chemische omzettingen zeer selectief en efficiënt worden uitgevoerd.

De techniek is op meerdere punten verbeterd. Lichtopvangende halfgeleiders en biokatalysatoren kunnen nu bijvoorbeeld in één compact apparaat worden samengebracht. Ingenieurs kunnen afzonderlijke onderdelen optimaliseren om specifieke eigenschappen te versterken. Toch beperken verschillende technische obstakels de toepassing in foto-elektrochemische systemen (PEC) nog altijd.

Problemen met deze benaderingen

Een belangrijk probleem van huidige semi-kunstmatige fotosyntheseapparaten is hun geringe stabiliteit. Hun chemische samenstelling verandert snel, waardoor voortdurend specifieke verbindingen moeten worden toegevoegd. Daartoe behoren snel reagerende buffers die pH-verschillen opvangen en diffusiemediatoren die lading van lichtabsorberende materialen naar biokatalysatoren overbrengen.

Industriële katalysatoren zijn zowel duur als giftig. Daardoor zijn extra voorzorgsmaatregelen nodig en lopen de kosten op. Bovendien zijn deze stoffen chemisch niet-inert en kunnen ze oxidatie van metalen bevorderen. Dat kan leiden tot verontreiniging, remming van de katalysator of vergiftiging van het volledige proces.

Onderzoek naar kunstmatige bladeren

De studie¹, Semi-kunstmatige bladeren koppelen organische halfgeleiders en enzymen voor zonnechemische synthese, die in het wetenschappelijke tijdschrift Joule verscheen, beschrijft een nieuw organisch fotovoltaïsch ontwerp (OPV). Het voert rechtstreeks semi-kunstmatige fotosynthese uit zonder schadelijke katalysatoren.

Bron – Joule

Het proces biedt een blik op een groenere toekomst, omdat het de fotosynthese maximaal een etmaal kan volhouden. De ingenieurs wilden giftige componenten verwijderen en vervangen door organische elementen die een schone chemische reactie in stand houden zonder ongewenste bijproducten te vormen.

Formiaat

Het unieke semi-kunstmatige foto-elektrochemische ontwerp op basis van organische halfgeleiders produceert groene H₂ of formiaat uit water en CO₂. Daarbij bedraagt het zon-naar-brandstofrendement 0,6% en de faradische opbrengst 87%. Het systeem gebruikt speciaal in het laboratorium gekweekte enzymen die zijn geselecteerd voor de door zonlicht aangedreven productie van H₂ of omzetting van CO₂ in formiaat.

De enzymen wisselen energie met elektroden uit via directe elektronenoverdracht (DET). Deze sulfaatreducerende bacteriën splitsen water van nature in waterstof- en zuurstofmoleculen of zetten koolstofdioxide om in methaan.

De interactie tussen de enzymen hydrogenase of formiaatdehydrogenase en koolzuuranhydrase kan als zonnebrandstofsysteem functioneren en belangrijke chemische verbindingen produceren. Door deze interacties te bestuderen konden de ingenieurs, met aandacht voor processen op nanoschaal, het optimale ontwerp bepalen.

Semi‑kunstmatig blad

Het resultaat was een semi-kunstmatig blad dat fotosynthese nabootst zonder reactieve buffers, mediatoren of opofferingsreagentia. Organische halfgeleiders verhoogden de efficiëntie, omdat de lichtabsorberende polymeren en bacteriële enzymen samenwerken en zo buffers en katalysatoren overbodig maken.

Test van het kunstmatige blad

De ingenieurs voerden meerdere tests uit om hun concept aan te tonen. Met elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) volgden ze de elektronische kenmerken van iedere abiotisch-biotische interface. Dat leverde waardevolle informatie op over de overdracht van lading aan het grensvlak en hielp het proces te verbeteren.

Veeg om te scrollen →

Resultaten van de test van kunstmatige bladeren

De testresultaten toonden aan dat het kunstmatige blad efficiënt hoge stromen kon produceren. Tijdens de reacties benaderde de energieomzetting de ideale waarde, met optimale fotospanningen en fotostroomdichtheden.

De onderzoekers merkten bovendien op dat het apparaat 24 uur bleef werken, tweemaal zo lang als de beste concurrent. Daarmee liet het onderzoek de extra stabiliteit van de semi-organische aanpak zien. Het blad kon naar behoefte een stabiele productie van H₂ of een selectieve omzetting van CO₂ in formiaat handhaven.

Voordelen van kunstmatige bladeren

Dit onderzoek biedt de industrie veel voordelen. De duurzame aanpak kan vervuiling verminderen door een groen alternatief te bieden dat even efficiënt en productief is. Bovendien is het systeem zo ontworpen dat het de komende jaren eenvoudig in bestaande industriële chemische processen kan worden geïntegreerd.

Stabiliteit

Een van de grootste voordelen is de sterk verbeterde stabiliteit van kunstmatige fotosynthese. Voorheen bleef zo’n proces, met veel onderhoud, hooguit twaalf uur actief. Nu kan het een volledige dag functioneren zonder extra additieven, wat kosten en tijd bespaart en het milieu ontziet.

Niet‑toxisch

Alle eerdere ontwerpen voor kunstmatige bladeren vereisten gevaarlijke stoffen, waaronder giftige lichtabsorberende materialen. De nieuwe aanpak is duurzamer en biedt tegelijk meer ontwerpvrijheid. Daardoor ligt een breder toepassingsgebied voor de hand.

Toepassingen van kunstmatige bladeren en commercialisatietijdlijn

De ontdekkingen uit het onderzoek hebben veel mogelijke toepassingen. De technologie kan de chemische sector ingrijpend veranderen door de kernprocessen minder afhankelijk te maken van fossiele grondstoffen. Ook kan zij duurzamere en krachtigere zonneapparaten mogelijk maken en de productie verbeteren van essentiële chemische componenten voor geneesmiddelen, polymeren en geurstoffen.

Tijdlijn van kunstmatige bladeren

Het kan nog vijf tot tien jaar duren voordat de technologie algemeen beschikbaar wordt. De industrie zoekt dringend naar manieren om haar klimaatneutraliteitsdoelen te halen. Daarom zal deze technologie waarschijnlijk veel steun krijgen van overheden, het bedrijfsleven en de academische wereld.

Onderzoekers van kunstmatige bladeren

Het onderzoek stond onder leiding van professor Erwin Reisner en dr. Celine Yeung van de Universiteit van Cambridge, met medewerking van Yongpeng Liu, David M. Vahey, Rita R. Manuel en Inês A.C. Pereira. Het werd gefinancierd door de Singapore Agency for Science, Technology and Research, de Royal Academy of Engineering, UK Research and Innovation, de European Research Council en de Swiss National Science Foundation.

Toekomst van kunstmatige bladeren

De toekomst van kunstmatige fotosynthese ziet er veelbelovend uit. Het team werkt al jaren aan de verfijning van de techniek en maakte eerder verschillende kunstmatige bladeren, maar geen daarvan was zo stabiel als het nieuwste ontwerp. De onderzoekers zullen naar verwachting iedere volgende versie verder optimaliseren en zo een nieuw tijdperk van milieuvriendelijke kunstmatige bladeren inluiden.

Investeren in chemische productie

De chemische productiesector groeit snel en vertegenwoordigt biljoenen dollars aan handel. Verschillende producenten zijn al tientallen jaren actief en leveren essentiële bouwstenen voor de wereldeconomie. Het volgende bedrijf heeft een reputatie opgebouwd op het gebied van kwaliteit en stabiliteit.

Ecolab Inc.

Ecolab Inc. (ECL ) werd in 1923 in Saint Paul, Minnesota, opgericht als Economics Laboratory, Inc. Oprichter Merritt J. ‘M.J.’ Osborn wilde de groeiende horeca hoogwaardige oplossingen voor tapijtreiniging bieden. Dat leidde tot het eerste product van het bedrijf, de tapijtreiniger Absorbit.

Ecolab ging in 1957 naar de beurs. Kort daarna breidde het bedrijf zijn activiteiten uit en begon het overnames te doen. In 2011 nam het bijvoorbeeld Nalco Holding Company over, waarmee het de stap naar waterbehandelingsproducten zette. Tegenwoordig levert Ecolab industriële producten voor waterbehandeling, reiniging en hygiëne.

Wie een gevestigde chemieproducent zoekt, vindt in Ecolab een bedrijf met meer dan honderd jaar geschiedenis. Het groeide bovendien uit tot nummer 247 op de Fortune 500. Sinds de beursgang, ruim een halve eeuw geleden, geniet ECL dan ook aanzienlijke belangstelling van beleggers.

Laatste ECL (ECL) aandelennieuws en prestaties

Doorbraak in Kunstmatige Fotosynthese | Conclusie

Het wetenschappelijke werk achter het kunstmatige blad zal de komende jaren in meerdere industrieën doorwerken. De technologie kan wereldwijde vervuiling terugdringen zonder productiecapaciteit op te offeren. Ze maakt bovendien complexere organische verbindingen mogelijk die in de toekomst giftige alternatieven kunnen vervangen. Om die en vele andere redenen verdienen de onderzoekers waardering voor hun inzet en vooruitziende blik.

Lees hier meer over andere duurzame technologie.

Belangrijke punten voor beleggers

• Commercialisering van kunstmatige fotosynthese: Het semi-organische kunstmatige blad van Cambridge kan de verduurzaming van de chemische industrie, met een omvang van ruim 6 biljoen dollar, in het komende decennium versnellen.
• Industrieel potentieel: De stabiliteit van 24 uur en het niet-giftige ontwerp maken de technologie geschikt voor integratie in duurzame systemen voor chemische productie en waterstofproductie.
• Beleggingsperspectief: Bedrijven zoals Ecolab Inc. (NYSE: ECL), met sterke posities in waterbehandeling en groene proceschemie, kunnen profiteren van de industriële toepassing van kunstmatige-bladtechnologie.

Referenties:

^{1. Yeung, C. W. S., Liu, Y., Vahey, D. M., Manuel, R. R., Pereira, I. A. C., & Reisner, E. (2025). Semi‑kunstmatige blad, organische halfgeleiders en enzymen koppelen voor zonne‑chemische synthese. Joule. Advance online publication. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.10.004}