Revolutie in de chemie: nieuw mangaansysteem voor duurzame energie!

Revolutie in de chemie: nieuw mangaansysteem voor duurzame energie!

Onderzoeksteams over de hele wereld hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het nabootsen van natuurlijke fotosynthese, en nieuwe ontwikkelingen in de fotochemie leveren hiervan een indrukwekkend bewijs. Een team van Johannes Gutenberg Universiteit Mainz heeft een nieuw metaalcomplex ontwikkeld op basis van mangaan dat een revolutie teweegbrengt in de levensduur van aangeslagen toestanden en nieuwe mogelijkheden opent voor duurzame toepassingen.

Licht wordt steeds vaker gebruikt als energiebron voor chemische reacties, maar eerdere katalysatoren waren vaak gebaseerd op zeldzame en dure metalen zoals ruthenium, osmium of iridium. Mangaan is daarentegen niet alleen goedkoop, maar ook ruim 100.000 maal overvloediger aanwezig dan ruthenium. Het nieuwe mangaancomplex heeft bovendien een uitzonderlijke levensduur van ruim 190 nanoseconden.

Revolutionaire eigenschappen van het nieuwe mangaancomplex

Het mangaancomplex werd bereid door een eenvoudige eenstapssynthese uit in de handel verkrijgbare uitgangsmaterialen. Deze synthese combineert een kleurloos mangaanzout met een kleurloze ligand, wat resulteert in een dieppaarse kleur. Deze opmerkelijke eigenschap maakt een sterke lichtabsorptie en een hoge lichtgebruiksefficiëntie mogelijk. Het complex kan elektronen overbrengen naar andere moleculen, wat duidelijk werd aangetoond door de detectie van het initiële product van de fotoreactie.

De ontdekking van het onderzoeksteam breidt de mogelijkheden van duurzame fotochemie uit en heeft potentiële toepassingen in de waterstofproductie, een cruciaal gebied van hernieuwbare energie. Het doel is om watermoleculen efficiënt te splitsen met behulp van zonne-energie en chemische energiebronnen te produceren.

Innovatie in kunstmatige fotosynthese

Tegelijkertijd werken wetenschappers eraan Max Planck Instituut voor Chemische Energieconversie over de kunstmatige imitatie van natuurlijke fotosynthese om schone energiebronnen te ontwikkelen. De focus ligt op door licht veroorzaakte watersplitsing, een proces dat in de natuur voorkomt, maar technisch complex is om te reproduceren. Het team heeft met succes de structuur opgelost van een mangaan-calciumcomplex dat water splitst en zuurstof produceert.

De katalysator bestaat uit vier mangaanatomen en één calciumatoom, die zijn ingebed in een membraaneiwit van fotosysteem II. Via een cyclus waarbij protonen, elektronen en moleculaire zuurstof vrijkomen, zou deze aanpak kunnen leiden tot de ontwikkeling van kosteneffectieve, bio-geïnspireerde katalysatoren die de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen verminderen, vooral in de transportsector.

De uitdaging van het isoleren en karakteriseren van de structuur van het mangaan-calciumcomplex werd overwonnen met behulp van de modernste elektronenspinresonantie (ESR) spectroscopie en nieuwe theoretische methoden. Deze bevindingen kunnen dienen als blauwdruk voor toekomstige kunstmatige systemen die zonne-energie opslaan als chemisch beschikbare energie.

Betekenis en vooruitzichten

De ontwikkelingen op beide Instituut Mainz evenals op Max Planck Instituut zijn baanbrekend. Onderzoekers werken aan het verder optimaliseren van de katalytische processen, met name de oxidatie van water, een centrale chemische reactie in de fotosynthese. Het gebruik van gewone en goedkope metalen zoals mangaan zou de productiekosten van waterstof en andere zonnebrandstoffen aanzienlijk kunnen verlagen.

Het vooruitzicht van effectieve kunstmatige fotosynthese, die verschillende problemen van energieproductie en de vermindering van kooldioxide in de atmosfeer oplost, wordt niet alleen realistischer, maar is ook een stap in de richting van duurzame energieproductie.