Organische katalysator houdt lading duizend keer langer vast, waterstof sneller

Onderzoekers van het Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE), onderdeel van de Chinese Academie van Wetenschappen, werkten samen met het Technical Institute of Physics and Chemistry van dezelfde academie. Ze publiceerden hun resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Synthesis. Het onderzoek richt zich op fotokatalytische waterontleding: het proces waarbij een materiaal zonlicht gebruikt om watermoleculen te splitsen in waterstof en zuurstof. Dat maakt het mogelijk om zonne-energie op te slaan in de vorm van waterstofgas, een brandstof die overal inzetbaar is en bij verbranding alleen water als restproduct oplevert.

Elektronen die te snel weer samensmelten

Het materiaal dat de onderzoekers gebruikten is een covalent organisch raamwerk (COF): een poreus, kristallijn netwerk van organische moleculen die stevig aan elkaar vastzitten. Zulke materialen zijn aantrekkelijk als katalysator omdat hun structuur nauwkeurig is aan te passen. Het grote probleem bij eerdere COF's was echter dat de elektronen die door het zonlicht worden losgemaakt, vrijwel meteen weer samensmelten met de 'gaten' die ze achterlaten. Dat proces heet recombinatie, en het zorgt ervoor dat de energie verloren gaat voordat die kan worden gebruikt om waterstof te maken. Bij veel gangbare COF's kunnen de verbindingen tussen de bouwstenen bovendien draaien, waardoor het materiaal energie verliest en de scheiding tussen elektronen en gaten nog sneller ongedaan wordt gemaakt.

Een stugere verbinding als oplossing

Om dit te verhelpen bouwden de onderzoekers een COF met een zogeheten coumarinelinker: een starre, platte chemische verbinding die de bouwstenen van het materiaal aan elkaar knoopt. Anders dan de meer gangbare verbindingen laat deze linker geen rotatie toe. Daardoor blijven de elektronen zich makkelijker over het hele 2D-polymeer verspreiden en blijft de gescheiden lading langer intact. Met platina-nanodeeltjes als hulpkatalysator sprongen de losgemaakte elektronen binnen ongeveer 407 picoseconden (een picoseconde is een biljoenste seconde) over naar het platina, waar ze protonen omzetten in waterstofgas via de waterstofevolutiereactie.

Duizend keer langer, veel meer waterstof

Het resultaat: de gescheiden lading in het nieuwe materiaal bleef ongeveer duizend keer langer intact dan bij een vergelijkbare COF met een gangbare iminelinker. Onder licht van 440 nanometer produceerde het materiaal 531 millimol waterstof per gram per uur, met een kwantumopbrengst van bijna 38 procent bij licht van 405 nanometer. Ook onder breder zichtbaar licht, boven 420 nanometer, haalde het materiaal nog altijd 166 millimol per gram per uur. Volgens hoofdonderzoeker Zhang Tao van NIMTE laat het werk zien hoe het aanpassen van de verbindingen tussen bouwstenen in een COF direct invloed heeft op hoe goed het materiaal lading vasthoudt, en daarmee op de prestaties als katalysator voor zonne-waterstof.