Kunt Artificial Photosynthese De Waterstofeconomie Ontgrendelen?

Natuurlijke Fotosynthese Vervangen

Direct of indirect produceert een enorme hoeveelheid van de energie die we gebruiken via fotosynthese. Dit is natuurlijk waar van de calorieën die onze lichamen aandrijven, maar uiteindelijk ook van fossiele brandstoffen, die niets anders zijn dan “opgeslagen” fotosynthese van planten die eeuwen geleden zijn gestorven.

Daarom zijn veel inspanningen gericht op het verbeteren van de natuurlijke fotosynthese of het benutten ervan voor nieuwe toepassingen, zoals het creëren van biobrandstoffen uit algen. Het op grote schaal bouwen van deze technologie kan cruciaal zijn om de stijging van de CO2-concentratie in de atmosfeer te beperken.

Maar wat als we het fotosyntheseproces konden nabootsen zonder te maken te hebben met levende organismen? Het is tenslotte een electrochemisch proces dat niet noodzakelijkerwijs levende cellen vereist. Dit is de belofte van zogenaamde “artificiële fotosynthese”.

Het zou onze mogelijkheid om de zonnewarmte te benutten verhogen tot een niveau boven dat van fotovoltaïsche cellen, die “slechts” elektriciteit uit zonlicht kunnen creëren, maar geen chemische reacties kunnen beïnvloeden.

Drie onderzoekers van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) en de Universiteit van Tokio hebben deze technologie mogelijk dichter bij de realiteit gebracht. In een artikel dat is gepubliceerd in Chemical Communications onder de titel “Bio-geïnspireerde hydrogels: polymerontwerpen voor artificiële fotosynthese¹“.

Hoe Werkt Fotosynthese?

In planten is fotosynthese, in grote lijnen, het proces van het opnemen van CO2 en water, met licht als energiebron, en het produceren van koolhydraten en zuurstof.

Bron: Britannica

Dat gezegd hebbende, lijkt het erop dat dit kan worden teruggebracht tot een heel eenvoudige chemische vergelijking en gemakkelijk kunstmatig nagebootst kunnen worden.

Bron: Britannica

Het is een ander verhaal als je kijkt naar hoe het werkt. Plantenfotosynthese is eigenlijk een van de meest complexe biochemische machinerieën, met tientallen tussenliggende reacties, een myriade aan subcomponenten en soms niet zo goed begrepen moleculaire mechanismen met ingewikkelde elektronenbewegingen.

De synthetische verklaring van dit onderwerp in de Britannica-encyclopedie is niet minder dan 10.000 woorden. Wetenschappers die het bestuderen, moeten te maken hebben met nog complexere schematische weergaven om een overzicht te krijgen van fotosynthese:

Bron: Lumen Learning

Terwijl het meestal in de natuur wordt gebruikt om koolhydraten te creëren, kan fotosynthese in theorie voor veel andere toepassingen worden gebruikt met licht als energiebron, zoals bijvoorbeeld de synthese van waterstof uit water (fotokatalyse).

Bio-geïnspireerde Hydrogels Voor Waterstofproductie

Aangezien een van de stappen van natuurlijke fotosynthese het splitsen van water in zuurstof en 2H+-atomen is, lijkt het dat het repliceren van slechts die stap gemakkelijker zou zijn dan het hele proces nabootsen. Dat is wat de Japanse onderzoekers hebben gedaan, met behulp van hydrogels.

Bron: Chemical Communications

Ze gebruikten functionele moleculen, zoals rutheniumcomplexen en platina-nanodeeltjes, die samenwerken om het natuurlijke proces van fotosynthese na te bootsen en worden beschouwd als krachtige fotokatalysatoren. De innovatie zit in de manier waarop ze deze deeltjes hebben georganiseerd:

“Wat uniek is, is de manier waarop de moleculen binnen de hydrogel zijn georganiseerd. Door een gestructureerde omgeving te creëren, hebben we het energietransformatieproces veel efficiënter gemaakt.”

Reina Hagiwara – PhD-student aan JAIST

Bron: Chemical Communications

Verbeterde Efficiëntie

Een andere belangrijke verbetering van het gebruik van hydrogel in vergelijking met eerdere methoden is dat het de metalen deeltjes ervan weerhoudt om samen te klitten, wat de effectiviteit van het proces vermindert.

“De grootste uitdaging was om te begrijpen hoe we deze moleculen zo konden organiseren dat ze elektronen soepel konden overdragen. Door een polymeernetwerk te gebruiken, konden we voorkomen dat ze samenklonterden, wat een veelvoorkomend probleem is in synthetische fotosynthesesystemen.”

Kosuke Okeyoshi – Associate professor aan JAIST

Het eindresultaat was een veel efficiëntere fotokatalyse, die meer waterstof produceerde dan oudere technieken.

Bron: Chemical Communications

Lichtvangende Gel

Een andere factor in de verbeterde efficiëntie is dat de gel het licht feitelijk opslokt, waardoor de kans toeneemt dat het de gewenste chemische reactie aandrijft.

De zorgvuldige vormgeving van de microgel was geoptimaliseerd om diameters te creëren die kleiner zijn dan de golflengte van zichtbaar licht. Dit stelde ook de integratie van de platina- en ruthenium-microscopische deeltjes in de gel in een geordend rooster mogelijk.

Bron: Chemical Communications

De Sleutel Tot De Waterstofrevolutie?

Waterstof, of ammonia gemaakt van waterstof, is lang beschouwd als een potentieel ideale brandstof om de wereld te laten draaien op groene energie.

Door in een chemische vorm te zijn in plaats van elektrisch, kan waterstof groene energie over een veel langere periode opslaan en een betere vervanging zijn voor fossiele brandstoffen dan batterijen in sleuteltoepassingen zoals scheepvaart of zware industrie.

Het probleem is dat de productie van waterstof door middel van elektrolyse een zeer energievretend proces is en niet erg efficiënt. Dit resulteert in het verlies van de meeste groene energie die wordt gebruikt om waterstof te produceren, waardoor de economie van het idee wordt geschaad.

Het efficiëntieprobleem van groene waterstof is fundamenteel dat het huidige concept te veel stappen vereist: licht -> gelijkstroom -> elektrolyse -> waterstofproductie. Elke extra stap vermindert de efficiëntie en kost extra kapitaal en middelen voor de machines die betrokken zijn.

Dit wordt nog erger als de gelijkstroom omgezet moet worden in wisselstroom en getransporteerd moet worden via het net van zonneparken naar de waterstofsyntheselocatie.

Directe fotokatalyse zou het omzetten in “licht -> waterstofproductie” zonder tussenstappen.

De Volgende Stappen

Beter Polymere

Deze publicatie toont aan dat een zorgvuldig georganiseerd netwerk van fotokatalytische deeltjes een game-changer kan zijn in waterstofproductie. De hydrogel die hier wordt gebruikt, kan slechts een stapsteen zijn.

De onderzoekers verwachten dat meer geavanceerde polymeernetwerken zullen worden ontworpen. Dit kan het vastmaken van de katalytische componenten niet alleen als kleine deeltjes, maar als lange, dunne moleculaire ketens omvatten, waardoor de contactoppervlakte en lichtvangst toenemen. Het toekomstige gebruik van natuurlijke supramoleculen, zoals tubuline/microtubuli, is ook mogelijk.

Meer Dan Waterstof

De studie richtte zich op waterstofproductie, maar dit is verre van de enige chemische reactie die kan worden gekatalyseerd door zonlicht.

Bijvoorbeeld, Japanse onderzoekers in Osaka hebben een manier gevonden om fumarinezuur te produceren uit bicarbonaat en biomassa-geleide pyruvinezuur, door het gebruik van een andere vorm van artificiële fotosynthese.

Verder Dan Platina

Veel waterstofproductiemethoden zijn afhankelijk van het splitsen van watermoleculen met behulp van platina of andere zeldzame metalen uit dezelfde familie als ruthenium. En dit kan een van de argumenten zijn om in platina te investeren, naast de groeiende populariteit van hybride voertuigen.

Tegelijkertijd heeft de hoge kosten van platina onderzoekers aangemoedigd om goedkopere alternatieven te vinden.

U kunt enkele voorbeelden lezen in Hydrogen Production Advancements with Nickel Based Electrolysis” en “Generating Hydrogen by Splitting Water with Embedded Swarf”.

Misschien kunnen deze vooruitgangen in alternatieven voor platina worden gecombineerd met de hydrogel en fotokatalyse die hierboven worden besproken, om een zeer goedkope waterstofproductiemethode te creëren met behulp van alleen goedkope metalen, polymeren en zonlicht.

Investeer In Artificiële Fotosynthese & Waterstof

Artificiële fotosynthese is voor nu nog een zeer experimenteel veld in ontwikkeling. Echter, het potentieel van de waterstofeconomie is groot genoeg om veel bedrijven bereid te maken om te investeren in de mogelijkheid.

Aangezien veel waterstofproductiemethoden afhankelijk zijn van platina, kan dit een optie zijn: Het is mogelijk om platina rechtstreeks te kopen in de vorm van fysiek metaal, met de meeste edelmetaalbullionverkopers die munten en metalen staven van platina aanbieden. Platina-sieraden zijn ook een mogelijkheid.

Gefysieke platina-aandelen kunnen ook worden gekocht via de abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT) en de GraniteShares Platinum Trust (PLTM).

U kunt investeren in waterstofgerelateerde bedrijven via veel brokers, en u kunt hier, op securities.io, onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië en het VK, evenals veel andere landen.

Als u geen specifieke waterstofgerelateerde bedrijven wilt kiezen, kunt u ook kijken naar ETF’s zoals de VanEck Rare Earth and Strategic Metals ETF (REMX) voor het platina-aspect, of waterstofgerichte ETF’s zoals de Global X Hydrogen ETF (HGEN) of de VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO) die een meer gediversifieerde blootstelling bieden om te profiteren van het potentieel van waterstof als energiebron.

Waterstofbedrijf

(BLDP )

Ballard is een fabrikant van brandstofcellen en een pionier op dit gebied met zijn eerste brandstofcelbus in 1993.