Een studie van zes chemici aan de Universiteit van Chicago toont een innovatief nieuw systeem voor kunstmatige fotosynthese dat een orde van grootte productiever is dan eerdere kunstmatige systemen. Hierboven een artistieke illustratie van het proces. Krediet: Illustratie door Peter Allen
Doorbraak Universiteit van Chicago creëert methaanbrandstof uit zon, koolstofdioxide en water
Mensen hebben de afgelopen twee eeuwen vertrouwd op fossiele brandstoffen voor geconcentreerde energie. Onze samenleving heeft geprofiteerd van de handige, energiedichte stoffen die zijn verpakt in de opbrengsten van honderden miljoenen jaren fotosynthese. Die voorraad is echter eindig en het verbruik van fossiele brandstoffen heeft een enorme negatieve impact op het klimaat op aarde.
« De grootste uitdaging die veel mensen zich niet realiseren, is dat zelfs de natuur geen oplossing heeft voor de hoeveelheid energie die we gebruiken », zegt Wenbin Lin, chemicus van de Universiteit van Chicago. Zelfs fotosynthese is niet zo goed, zei hij: « We zullen het beter moeten doen dan de natuur, en dat is eng. »
« Kunstmatige fotosynthese » is een mogelijke optie die wetenschappers onderzoeken. Dit houdt in dat het systeem van een fabriek wordt aangepast om onze eigen soorten brandstoffen te maken. De chemische uitrusting in een enkel blad is echter ongelooflijk complex en niet zo gemakkelijk voor onze eigen doeleinden te gebruiken.
Nu wordt een innovatief nieuw systeem voor kunstmatige fotosynthese gepresenteerd dat een orde van grootte productiever is dan eerdere kunstmatige systemen in een studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuur katalyse op 10 november door zes chemici van de Universiteit van Chicago. In tegenstelling tot gewone fotosynthese, waarbij koolhydraten worden geproduceerd uit koolstofdioxide en water, kan kunstmatige fotosynthese ethanol, methaan of andere brandstoffen produceren.
Hoewel er nog een lange weg te gaan is voordat het een manier kan worden waarop u uw auto elke dag kunt tanken, geeft de methode wetenschappers een nieuwe richting om te verkennen. Bovendien kan het op kortere termijn nuttig zijn voor de productie van andere chemicaliën.
« Dit is een enorme verbetering ten opzichte van bestaande systemen, maar wat net zo belangrijk is, we hebben een heel duidelijk begrip kunnen schetsen van hoe dit kunstmatige systeem werkt op moleculair niveau, wat nog niet eerder is bereikt », zegt Lin, die de James Franck Professor in de chemie aan de Universiteit van Chicago en senior auteur van de studie.
‘We hebben iets anders nodig’
“Zonder natuurlijke fotosynthese zouden we hier niet zijn. Het maakte de zuurstof die we op aarde inademen en het maakt het voedsel dat we eten, ‘zei Lin. “Maar het zal nooit efficiënt genoeg zijn om ons brandstof te leveren om auto’s te besturen; dus we zullen iets anders nodig hebben.
Het probleem is dat fotosynthese is gebouwd om koolhydraten te creëren, die geweldig zijn om ons van brandstof te voorzien, maar niet voor onze auto’s, die veel meer geconcentreerde energie nodig hebben. Dus onderzoekers die alternatieven voor fossiele brandstoffen willen creëren, moeten het proces opnieuw ontwerpen om brandstoffen met een hogere energiedichtheid te creëren, zoals ethanol of methaan.
In de natuur wordt fotosynthese uitgevoerd door verschillende zeer complexe samenstellingen van eiwitten en pigmenten. Ze nemen water en koolstofdioxide op, breken de moleculen uit elkaar en herschikken de atomen om koolhydraten te maken – een lange reeks waterstof-zuurstof-koolstofverbindingen. Wetenschappers moeten de reacties echter herwerken om in plaats daarvan een andere opstelling te produceren met alleen waterstof rond een sappige koolstofkern – CH4, ook bekend als methaan.
Deze re-engineering is veel lastiger dan het klinkt; mensen sleutelen er al tientallen jaren aan, in een poging dichter bij de efficiëntie van de natuur te komen.
Lin en zijn laboratoriumteam dachten dat ze zouden kunnen proberen iets toe te voegen dat kunstmatige fotosynthesesystemen tot nu toe niet hebben opgenomen: <span class="glossaryLink" aria-describedby="tt" data-cmtooltip="
aminozuren
” data-gt-translate-attributen=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>aminozuren.
Het team begon met een soort materiaal dat een metaal-organisch raamwerk of MOF wordt genoemd, een klasse verbindingen die bestaat uit metaalionen die bij elkaar worden gehouden door organische verbindingsmoleculen. Vervolgens ontwierpen ze de MOF’s als een enkele laag, om het maximale oppervlak voor chemische reacties te bieden, en alles ondergedompeld in een oplossing die een kobaltverbinding bevatte om elektronen rond te vervoeren. Ten slotte voegden ze aminozuren toe aan de MOF’s en experimenteerden ze om erachter te komen welke het beste werkte.
“De grootste uitdaging die veel mensen niet beseffen, is dat zelfs de natuur geen oplossing heeft voor de hoeveelheid energie die we gebruiken.”
— prof. Wenbin Lin
Ze waren in staat om verbeteringen aan te brengen in beide helften van de reactie: het proces dat water afbreekt en het proces dat elektronen en protonen toevoegt aan koolstofdioxide. In beide gevallen hielpen de aminozuren de reactie efficiënter te laten verlopen.
Zelfs met de aanzienlijk verbeterde prestaties heeft kunstmatige fotosynthese echter nog een lange weg te gaan voordat het voldoende brandstof kan produceren om relevant te zijn voor wijdverbreid gebruik. « Waar we nu zijn, zou het met vele ordes van grootte moeten worden opgeschaald om voldoende methaan te maken voor onze consumptie », zei Lin.
De doorbraak zou ook breed kunnen worden toegepast op andere chemische reacties; je moet veel brandstof maken om effect te hebben, maar veel kleinere hoeveelheden van sommige moleculen, zoals de uitgangsmaterialen om onder andere farmaceutische medicijnen en nylons te maken, kunnen erg nuttig zijn.
« Zoveel van deze fundamentele processen zijn hetzelfde », zei Lin. « Als je goede chemie ontwikkelt, kunnen ze op veel systemen worden aangesloten. »
De wetenschappers gebruikten middelen van de Advanced Photon Source, een synchrotron in het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, om de materialen te karakteriseren.
De co-eerste auteurs van de paper waren Guangxu Lan (PhD’20, nu bij Peking University), afgestudeerde student Yingjie Fan en Wenjie Shi (bezoekende student, nu bij Tianjin University of Technology. De andere auteurs van de paper waren Eric You (BS’20, nu een afgestudeerde student aan MIT) en Samuel Veroneau (BS’20, nu promovendus aan Harvard University).
Referentie: « Biomimetische actieve sites op monogelaagde metaal-organische raamwerken voor kunstmatige fotosynthese » door Guangxu Lan, Yingjie Fan, Wenjie Shi, Eric You, Samuel S. Veroneau en Wenbin Lin, 10 november 2022, Natuur katalyse.
DOI: 10.1038/s41929-022-00865-5
Financiering: Universiteit van Chicago, National Science Foundation, China Scholarship Council
