Onderzoekers van de faculteit TNW van de Universiteit Twente laten een nieuwe aanpak zien voor het produceren van duurzame brandstoffen. Het onderzoek van Kaijian Zhu toont aan dat het sturen van de lichtgeïnduceerde draaiing van moleculen de productie van waterstof aan en uit kan zetten.
Fotoelektrochemische cellen zijn veelbelovend voor de productie van duurzame brandstoffen, bijvoorbeeld de omzetting van water in waterstof of CO2 in organische moleculen. Helaas beperken de prestaties van de fotokathode in deze cellen nog vaak de efficiëntie. Het huidige onderzoek richtte zich op het manipuleren van het gedrag van de moleculen op het oppervlak van de fotokathode gemaakt van nikkeloxide (NiO).
Moleculen draaien
Wanneer licht wordt geabsorbeerd door de kleurstofmoleculen op het NiO-oppervlak, draaien ze om de scheiding van positieve en negatieve ladingen te bevorderen. Een belangrijke vraag was hoe deze draaiing de prestaties van de fotokathode beïnvloedt. Zhu's onderzoek toonde aan dat door dit draaiingsproces te sturen, de productie van waterstof onder belichting aan of uit kan worden gezet.
Door myristinezuur aan het NiO-oppervlak toe te voegen, konden de onderzoekers de mate van verdraaiing van de kleurstofmoleculen na lichtabsorptie controleren en verminderen. Interessant genoeg maakte de toevoeging van het myristinezuur lichtgeïnduceerde waterstofproductie in water mogelijk, zelfs zonder een waterstofevolutiekatalysator. “Het genereren van waterstof is waarschijnlijk een synergetisch effect van verminderde draaiing van het kleurstof radicaal anion, dat het elektrochemische potentiaal verhoogt. Dit gecombineerd met ladingsoverdracht en reductie van protonen aan het gehydroxyleerde NiO-oppervlak maakt de waterstofproductie mogelijk”, zegt Annemarie Huijser, de corresponderende auteur van dit werk.
Het onderzoek illustreert het belang van het begrijpen van de effecten van lichtgeïnduceerde intramoleculaire draaiing en toont aan dat controle hiervan een eenvoudige ontwerpbenadering mogelijk maakt voor efficiënte fotokatalyse.
Over het onderzoek
Het onderzoek is uitgevoerd door Dr. Kaijian Zhu, voormalig promovendus in de Photocatalytic Synthesis Group aan de Universiteit Twente, onder begeleiding van Dr. Annemarie Huijser en Prof. Guido Mul. Het project maakt deel uit van het Advanced Research Center Chemical Building Blocks Consortium (ARC CBBC; www.arc-cbbc.nl).
Binnen het ARC CBBC werkten onder andere de Universiteit Twente en industriële partner Shell samen in dit project binnen het centrale thema 'Energy Transition'. Dr. Annemarie Huijser is Universitair Hoofddocent in de vakgroep Fotokatalytische Synthese van de Faculteit TNW en het MESA+ Instituut. Haar onderzoek richt zich op de controle van lichtgeïnduceerde processen in materialen met toepassing in de omzetting van zonne-energie, door het sturen van de statische of dynamische nanostructuur. Ultrasnelle spectroscopische methoden worden gebruikt om lichtgeïnduceerde processen in realtime te bestuderen.
Het artikel “Limiting Molecular Twisting: Upgrading a Donor–Acceptor Dye to Drive H2 Evolution”, door Dr. Kaijian Zhu (Faculteit TNW), Dr. Ainoa Paradelo Rodríguez (Faculteit TNW), Dr. Maria B. Brands (Universiteit van Amsterdam), Titus de Haas (Universiteit Leiden), Dr. Francesco Buda (Universiteit Leiden), Prof. Dr. Joost N.H. Reek (Universiteit van Amsterdam), Prof. Dr. Guido Mul (Faculteit TNW) en Dr. Annemarie Huijser (Faculteit TNW) is onlangs gepubliceerd in Advanced Science en kan online worden gelezen.
