Over de hele wereld werken wetenschappers aan energie uit waterstof voor het over-winnen van de energiecrisis. Ze proberen onder meer met zonlicht als drijvende kracht water te splitsen in waterstof en zuurstof. Bij het na-bootsen van de fotosynthese in het laboratorium zijn wetenschappers van de universiteiten van Jena en Erlangen-Nürnberg en het Institut für Photonische Technologien (IPHT) in Jena een flinke stap vooruit gekomen.
De fysici en chemici konden bij hun proeven bewijzen, dat de eerste stap al de efficiëntie van de waterstofopwekking bepaalt. Het Franck-Condon-Punt moet zo uitgevoerd worden, dat het initiële elektronentransferproces al in de richting van het katalytisch actieve centrum plaatsvindt.
De wetenschappers zetten bij hun proeven voor efficiënte energieomzetting in op chemische fotokatalysatoren (zogeheten PMD’s). Daarbij wordt licht gebruikt om elektronen gericht zodanig van het ene molecule naar de andere te laten springen of over een Ligand genoemde brug te verplaatsen.
Procédé
Net als bij de fotosynthese heeft het proces dat de chemici in het labora-torium laten werken, twee wezenlijke stations: een speciaal metaalcomplex met ruthenium als elementair bestanddeel, dat dient als de antenne die het licht opvangt. Het ruthenium geeft daarop een elektron af, dat op het reactiecentrum overstapt, waarbij de kern een palladium atoom vormt. Op dit metaalcentrum wordt uiteindelijk waterstof gevormd.
In tegenstelling tot de perfecte natuur lukte het in het laboratorium nog niet om alle elektronen van het ruthenium op het palladium centrum te krijgen. Een aantal elektronen kiest zijwegen, komt in een kringproces of loopt vast en gaat daarmee voor de reactie verloren. Met behulp van resonantie-Raman-spectroscopie konden de onderzoekers zien waar het elektron naar toe springt na het aanstoten door het licht. Ze konden daardoor een nieuw synthese paradigma voor dergelijke fotosynthesecomplexen ontwikkelen.
Resultaten
Het team kon bewijzen, dat de effectiviteit van de waterstofopwekking door de golflengte van het licht wordt veranderd. Hoe roder het licht, des te meer elektronen gaan naar de bruggen, die het ruthenium met het palladium verbindt en des te efficiënter de omzetting. Licht met een golflengte van 550 nm is optimaal. Bovendien bepaalt de eerste stap bij een absorptie van een ligandenbrug waar het elektron naar toe gaat en daarmee hoe efficiënt de energiewinning is. Door deze kennis konden de onderzoekers gerichte barrières bouwen, zodat de elektronen niet van de rechte weg afkomen, maar uitsluitend op het palladium belanden.
Bij de eerste proeven bleek de waterstofopbrengst vier keer hoger dan bij vroegere waarden, maar nog ver onder het noodzakelijk niveau. Nu is het aan de chemici om de moleculaire katalysator complexen zo te optimali-seren, dat geen elektronen meer op een zijspoor geraken.
Nog een weg te gaan
De wetenschappers beseffen, dat het nog een lange weg is om de foto-synthese van de natuur correct en efficiënt na te maken. Maar dankzij het spectroscopisch analyseproces zijn ze een flinke stap verder.
