Wetenschappers ontwikkelden een flinterdun hybride materiaal dat met behulp van licht waterstofperoxide produceert. De opbrengst ligt ruim vijf keer hoger dan bij de halfgeleider alleen.
Waterstofperoxide kennen de meeste mensen als ontsmettingsmiddel, maar de chemische stof speelt ook een belangrijke rol in de industrie. Ze wordt gebruikt voor het bleken van papier en textiel, waterbehandeling en allerlei chemische processen. De productie ervan kost alleen behoorlijk wat energie. Amerikaanse en Japanse onderzoekers denken dat het anders kan. Hun nieuwe materiaal combineert een halfgeleider met onderdelen van micro organismen en maakt waterstofperoxide met behulp van licht, zuurstof en water.
Onderzoekers van het Amerikaanse Argonne National Laboratory, het Photon Science Innovation Center en de Tohoku University bouwden daarvoor een materiaal uit extreem dunne plaatjes van bismutoxychloride, BiOCl. De plaatjes zijn gemiddeld ongeveer 204 nanometer dik. Dat is ruwweg vijfhonderd keer dunner dan een menselijke haar. De gemiddelde breedte bedraagt ongeveer 1,6 micrometer.
Op zichzelf is BiOCl al interessant voor fotokatalyse. Het materiaal kan onder invloed van licht elektronen in beweging brengen en daarmee chemische reacties aandrijven. De onderzoekers voegden er echter iets bijzonders aan toe: stukjes van het zogenoemde paarse membraan van Halobacterium salinarum, een micro organisme dat uitstekend gedijt in extreem zoute omgevingen.
Een biologische zonnecollector
Dat paarse membraan bevat bacteriorhodopsine, een eiwit dat licht absorbeert. In de levende archaea werkt het min of meer als een moleculaire zonnecollector. Licht zorgt ervoor dat het eiwit protonen verplaatst, waarmee de cel energie kan opslaan.
Door kleine stukken van dit membraan op BiOCl aan te brengen, ontstaat een materiaal waarin biologische en anorganische onderdelen nauw samenwerken. De onderzoekers noemen die aanpak nanoarchitectonics: het bewust rangschikken en combineren van bouwstenen op nanoschaal om eigenschappen te creëren die de afzonderlijke onderdelen niet hebben.
Dat laatste is belangrijk. Het gaat niet simpelweg om een laagje biologisch materiaal op een halfgeleider. Metingen laten zien dat het membraan zich daadwerkelijk aan specifieke kristalvlakken van het BiOCl hecht. De koppeling verandert bovendien de structuur aan het grensvlak tussen beide materialen.
Juist daar vindt de interessante chemie plaats. Wanneer licht op het hybride materiaal valt, helpt het bacteriorhodopsine bij het verplaatsen van protonen en elektrische lading. Daardoor kan het BiOCl zuurstof reduceren tot waterstofperoxide. Aanvullende experimenten wijzen daarbij op de vorming van superoxide, een reactief tussenproduct in het proces.
Ruim vijf keer zoveel waterstofperoxide
Het verschil met gewoon BiOCl is fors. In aanwezigheid van ethyleenglycol produceerde het hybride materiaal 4,49 millimol waterstofperoxide per gram katalysator per uur. BiOCl zonder het biologische membraan kwam onder vergelijkbare omstandigheden uit op 0,84 millimol. Dat is ruim een factor vijf verschil. Zonder zogenoemde hole scavenger produceerde het hybride materiaal overigens veel minder, 0,42 millimol per gram per uur.
Dat laatste is een belangrijke nuance. Het materiaal maakt dus niet onder alle omstandigheden simpelweg grote hoeveelheden waterstofperoxide uit alleen zonlicht, lucht en water. Voor de hoogste opbrengst in de experimenten werd ethyleenglycol toegevoegd. Die stof levert protonen en elektronen voor het reactieproces. De metingen ondersteunen die rol van ethyleenglycol als protonenleverancier.
Daar staat tegenover dat het ethyleenglycol niet alleen wordt verbruikt. Tegelijk met de productie van waterstofperoxide ontstaan andere chemicaliën, waaronder glycolaldehyde, glyoxal en mierenzuur. Daarmee probeert het systeem twee nuttige reacties aan elkaar te koppelen in plaats van één grondstof uitsluitend als hulpstof op te offeren.
Chemische fabriek op nanoschaal
Voor industriële toepassing is het onderzoek nog lang niet klaar. De experimenten vonden plaats in kleine reactoren met een xenonlamp, zuurstoftoevoer en slechts milligrammen katalysator. Ook de duurzaamheid moet verder worden onderzocht. Bij herhaald gebruik nam de productie van waterstofperoxide af. Volgens de onderzoekers kan dat deels komen doordat tijdens het terugwinnen en opnieuw verspreiden van het materiaal telkens wat katalysator verloren ging.
Interessanter dan de absolute productie is daarom voorlopig het principe. De onderzoekers laten zien dat een lichtgevoelig onderdeel uit een micro organisme gekoppeld kan worden aan een synthetische halfgeleider en vervolgens de elektronen en protonenstroom in een chemische reactie kan sturen.
Dat biedt mogelijkheden die verder gaan dan waterstofperoxide. Vergelijkbare biologische onderdelen zouden in theorie kunnen worden gekoppeld aan katalysatoren voor de productie van brandstoffen, kunstmestgrondstoffen of andere chemicaliën. De kunst zit dan niet alleen in het vinden van de juiste katalysator, maar vooral in het ontwerpen van het grensvlak waar biologie en anorganische chemie elkaar ontmoeten.
