Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory hebben, in samenwerking met verschillende academische partners, belangrijke vorderingen in kunstmatige fotosynthese onthuld. Ze hebben aangetoond dat fotosynthese het vermogen heeft om CO₂ om te zetten in waardevolle koolwaterstoffen zoals ethaan en ethyleen.
De recent in Nature Catalysis gepubliceerde studie belicht een nieuw systeem dat gebruikmaakt van nanogestructureerd koper en perovskietmaterialen om het lichtvangend vermogen van chlorofyl na te bootsen. Chlorofyl is het groene pigment dat fotosynthese in planten aandrijft. Deze innovatieve aanpak is niet alleen een aanzienlijke stap voorwaarts in energieonderzoek, maar sluit ook aan bij bredere duurzaamheidsdoelen door uitsluitend gebruik te maken van zonlicht, CO₂ en water.
Het nieuwe systeem integreert perovskietmaterialen, die bekend staan om hun effectiviteit in fotovoltaïsche toepassingen, met unieke "nanoflower" koperen elektrokatalysatoren. Dit ontwerp is geïnspireerd op natuurlijke enzymen die fotosynthese faciliteren, waardoor de functionaliteit van het apparaat wordt verbeterd. In tegenstelling tot traditionele metaalkatalysatoren maakt het ontwerp van koper de synthese mogelijk van complexere koolwaterstoffen met twee koolstofatomen, essentieel voor de productie van diverse brandstoffen en chemicaliën. Deze doorbraak vergroot het potentieel voor schone energieproductie en maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van milieuvriendelijke materialen zonder extra CO2-uitstoot.
Dit onderzoek is een cruciaal onderdeel van de Liquid Sunlight Alliance (LiSA) , een samenwerkingsverband opgericht door het Amerikaanse Ministerie van Energie. LiSA streeft ernaar de ontwikkeling van zonnebrandstoffen te bevorderen door middel van interdisciplinair onderzoek, waarbij meer dan 100 wetenschappers van verschillende instellingen, waaronder het California Institute of Technology en het National Renewable Energy Laboratory, samenwerken. Met een focus op de integratie van theoretische modellen met realtime experimentele data, wil LiSA de vooruitgang in zonnebrandstoftechnologieën versnellen. Sinds de oprichting in 2020 heeft LiSA geleid tot verbeteringen in de prestaties van apparaten en de duurzaamheid van materialen, wat cruciaal is voor de schaalbaarheid van dergelijke innovatieve systemen.
Peidong Yang (rechts) en Jia-An Lin, een promovendus, gebruikten loodhalide-perovskiet-fotoabsorbers, die het lichtabsorberende chlorofyl van een blad nabootsen, en elektrokatalysatoren van koper die op kleine bloemetjes lijken. (Foto: Marilyn Sargent/Berkeley Lab)
Peidong Yang, senior wetenschapper bij Berkeley Lab en medeauteur van de studie, benadrukte dat eerdere pogingen tot kunstmatige fotosynthese vaak gebaseerd waren op biologische materialen, maar dat de toevoeging van koper de duurzaamheid en stabiliteit van het systeem verbetert. Yangs team richt zich nu op het verhogen van de efficiëntie van deze kunstmatige bladtechnologie en het vergroten van de omvang ervan, wat cruciaal zal zijn voor het opschalen van het systeem naar praktische toepassingen.
Dit onderzoek brengt wetenschappers niet alleen dichter bij het reproduceren van de natuurlijke productiviteit van bladeren, maar opent ook nieuwe wegen voor de ontwikkeling van duurzame chemische productiemethoden. De bevindingen vormen niet alleen een stap in de richting van efficiënt koolstofgebruik, maar duiden ook op een potentiële toekomst waarin energieproductie en milieuverantwoordelijkheid hand in hand gaan, waarbij wordt voldaan aan de wereldwijde energiebehoefte en tegelijkertijd de gevolgen van klimaatverandering worden beperkt.
