Draaiing van moleculen sturen voor waterstofproductie

Fotoelektrochemische cellen zijn veelbelovend voor de productie van duurzame brandstoffen, zoals 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).

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.

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’.