Nieuw Molecuul Brengt Kunstmatige Fotosynthese Dichtbij de Realiteit

Natuurlijke Fotosynthese Vervangen

Direct of indirect is een enorme hoeveelheid van de energie die we gebruiken geproduceerd via fotosynthese.

Dit geldt uiteraard voor de calorieën die ons lichaam aandrijven, maar uiteindelijk ook voor fossiele brandstoffen, die simpelweg “opgeslagen” fotosynthese zijn van planten die eonen geleden zijn gestorven.

Dus zijn veel inspanningen om ons energie- en voedselsysteem groener te maken gericht op het verbeteren van natuurlijke fotosynthese of het benutten ervan voor nieuwe toepassingen, zoals het creëren van biobrandstoffen uit algen.

Het op schaal bouwen zou cruciaal kunnen blijken bij het beperken van de stijgende CO2-concentratie in de atmosfeer.

Maar wat als we het fotosyntheseproces konden nabootsen zonder met levende organismen te hoeven werken? Het is immers een elektrochemisch proces dat niet per se levende cellen vereist. Dit is de belofte van zogenaamde “kunstmatige fotosynthese”.

Het zou ons vermogen om de energie van de zon te vangen een stap hoger tillen dan fotovoltaïsche systemen, die “alleen” elektriciteit uit zonlicht kunnen genereren, maar geen directe chemische reacties beïnvloeden.

Some progress has been made, met name naar waterstofproductie die op fotosynthese lijkt, but more work is needed for a closer replica.

Hoe Fotosynthese Werkt in de Natuur

Bij planten is fotosynthese, globaal gezien, in de eenvoudigste vorm. Het proces van het opnemen van CO2 en water, het gebruiken van licht als energiebron, en het produceren van koolhydraten en zuurstof.

Bron: Britannica

Op het eerste gezicht lijkt dit te kunnen worden gereduceerd tot een zeer eenvoudige chemische vergelijking en gemakkelijk kunstmatig te repliceren.

Bron: Britannica

Het is een ander verhaal als je kijkt naar hoe het daadwerkelijk wordt uitgevoerd.

Plantfotosynthese is eigenlijk een van de meest complexe biochemische machinerieën, met tientallen tussenliggende reacties, een wirwar van sub‑componenten, en soms niet‑zo‑goed‑begrepen moleculaire mechanismen die ingewikkelde elektronenbewegingen omvatten.

De synthetische uitleg van dit onderwerp in de Britannica encyclopedie is niet minder dan 10.000 woorden.

Wetenschappers die het bestuderen moeten omgaan met veel complexere schema’s om een overzicht van fotosynthese te krijgen:

Bron: Lumen Learning

Hoewel het in de natuur voornamelijk wordt gebruikt om koolhydraten te creëren, zou fotosynthese in theorie voor veel andere toepassingen kunnen worden ingezet waarbij licht als energiebron dient, bijvoorbeeld de synthese van waterstof uit water (fotocatalyse).

Een vergelijkbaar proces van lichtgeïnduceerde elektronen‑ en ionenbeweging kan ook worden gebruikt om kunstmatig suikers te maken. Dit is het idee waarop drie wetenschappers aan de Universiteit van Basel (Zwitserland) werken. Ze publiceerden onlangs in Nature Chemistry¹ hun resultaten over een nieuw molecuul dat gebruikt kan worden voor kunstmatige fotosynthese, onder de titel “Photoinduced double charge accumulation in a molecular compound”.

Kunstmatig Chlorofyl Bouwen

Moleculen met Meervoudige Lading

Natuurlijke fotosynthese berust op een reeks elektrochemische reacties. Als gevolg daarvan vereist het een zogenoemde charge‑separated state (CSS), waarbij een molecuul tegelijkertijd een positieve en een negatieve lading draagt.

Belangrijk is dat brandstofvormende reacties meerdere elektronen vereisen, niet slechts één, wat tot nu toe het beste was wat kunstmatige‑fotosynthesesystemen konden bereiken.

Voor de reductie van CO₂ in het bijzonder lijkt meervoudige‑elektronentransfer essentieel, wat ook de reden is dat de meeste kunstmatige‑fotosynthese‑oplossingen tot nu toe gericht waren op waterstofproductie.

Hier verandert de ontdekking van de Zwitserse onderzoekers de situatie, met de creatie van een speciaal molecuul dat onder lichtbestraling vier ladingen tegelijk kan genereren en opslaan – twee positieve en twee negatieve.

Bron: Nature

Hoe Werkt Het?

Het molecuul bevat een centraal deel dat lichtgevoelig is en een elektronenbeweging genereert als reactie. De onderzoekers volgden een sequentiële aanpak met twee lichtflitsen.

De eerste lichtflits treft het molecuul en veroorzaakt een reactie waarbij een positieve en een negatieve lading worden gegenereerd, en naar het tegenovergestelde uiteinde van het molecuul bewegen.

Met de tweede lichtflits treedt dezelfde reactie opnieuw op, zodat het molecuul vervolgens twee positieve en twee negatieve ladingen bevat.

Bron: Nature

Verbeterde Lichtgevoeligheid

De sequentiële stap, waarbij licht in een 2‑stappenproces wordt gebruikt, is niet alleen belangrijk om een dubbele elektrische lading aan elk uiteinde van het molecuul op te bouwen, maar ook om de benodigde energie per stap te verlagen, waardoor het kan functioneren bij lagere lichtintensiteit dan voorheen.

Bron: Nature

“Als gevolg hiervan naderen we al de intensiteit van zonlicht.

Eerder onderzoek vereiste extreem sterk laserlicht, wat ver verwijderd was van de visie op kunstmatige fotosynthese.”

Mathis Brändlin – PhD Student at Basel University

Waarom Dit Molecuul Een Cruciale Stap Vooruit Is

Een andere eigenschap van dit nieuwe molecuul is dat het zijn lading gedurende een voldoende lange tijd behoudt om te worden gebruikt bij het aandrijven van verdere chemische reacties, een onmisbare voorwaarde voor elk volledig kunstmatig fotosynthesesysteem.

“We hebben een belangrijk onderdeel van de puzzel geïdentificeerd en geïmplementeerd.

We hopen dat dit ons zal helpen bij het bijdragen aan nieuwe perspectieven voor een duurzame energietoekomst.”

Pr. Oliver Wenger – Basel University

Met een ladingsretentie van 120 microseconden (een duizend‑ tot een miljoen keer beter dan voorheen), zou dit voldoende moeten zijn voor chemische reacties, zelfs als de ideale duur in seconden zou worden gemeten.

In vergelijking met enkel‑lading of slechts één type lading, die in eerdere experimenten met fotosensitieve moleculen werden getest, is dit tot nu toe het meest veelbelovende molecuul voor de ontwikkeling van kunstmatige fotosynthese.

Verdere aanpassingen aan het ontwerp zouden de mogelijkheid kunnen verbeteren om te functioneren bij natuurlijke lichtintensiteit of om de elektrische ladingen nog langer vast te houden.

Het andere cruciale onderdeel van een kunstmatig fotosynthese‑proces dat nog moet worden ontworpen, is een pigment met hoog‑energetische geëxciteerde toestanden, evenals geschikte katalysatoren die voldoende redox‑kracht leveren voor waterstofsplitsing of CO₂‑reductie.

Veeg om te scrollen →

Investeren in Duurzame Innovatie

DuPont

DuPont is een enorm chemiebedrijf met veel belangrijke merkchemicaliën, zoals Kevlar, Styrofoam, Nomex (vuurbeveiliging), Great Stuff (bouwlijm), enz. Zijn geavanceerde polymeeronderzoek en beschermende materiaalmerken kunnen het positioneren om te profiteren van dubbele‑netwerk metamateriaal‑technologieën.

DuPont is een eeuwenoud concern met een complexe geschiedenis van overnames en, recenter, een reeks spin‑offs.

Bron: DuPont

Deze spin‑offs hebben de afdelingen voeding en bioscience van DuPont gescheiden, gedeeltelijk verkocht aan Corteva Biosciences (CTVA -0.95%), titaniumproducten om te vormen tot het Chemours‑bedrijf (CC -1.05%), en mobiliteit.

Het zal ook in november 2025 scheiden van zijn elektronische chemische business, maar behoudt de watersegment (membranen en filters voor waterzuivering en ontzilting), in tegenstelling tot eerdere plannen.

Bron: DuPont

Dit zal DuPont een veel meer gefocust bedrijf achterlaten, met een kernactiviteit in geavanceerde polymeren voor waterzuivering en beschermingsapparatuur, evenals geavanceerde materialen voor de lucht- en ruimtevaart, gezondheidszorg en elektrische voertuigen.

Bron: DuPont

DuPont is een echt internationaal concern, met een hoge vraag naar specialistische chemicaliën in waterzuivering en industriële productie.

De sectoren die door DuPont‑chemicaliën worden bediend, zijn ook zeer divers, waaronder bouw, waterzuivering, de elektronica‑industrie, automotive, lucht‑ en ruimtevaart, gezondheidszorg, groene energie en industriële productie.

Bron: DuPont

Met betrekking tot kunstmatige fotosynthese werkt het chemiebedrijf aan de technologie via partnerschappen met de academische wereld, met name met Penn University.

“Het doel van dit gezamenlijke onderzoek is het ontwikkelen van een breed toepasbaar computationeel protocol … om de selectie van fotoactieve materialen die water efficiënt kunnen splitsen in waterstof en zuurstof te versnellen.”

De sterke aanwezigheid van DuPont in beschermende uitrusting en de gevestigde positie met het Kevlar‑merk, een hoog‑presterende polymeer, zou het moeten helpen nieuwe vormen van metamaterialen in commerciële producten te integreren. En de aanwezigheid in groene energie zou moeten helpen bij de commercialisering van chemicaliën voor het uiteindelijke kunstmatige fotosynthese‑commerciële proces.

In elk geval, naarmate nieuwe technologieën groeien, evenals het waterverbruik, groeit ook de vraag naar de geavanceerde chemicaliën die door DuPont worden geproduceerd.

Laatste  Dupont (DD) Aandelen Nieuws en Ontwikkelingen

Studie Gerefereerd

^{1. Brändlin, M., Pfund, B. & Wenger, O.S. Photoinduced double charge accumulation in a molecular compound. Nature. Chemistry. (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01912-x}