Wat is kunstmatige fotosynthese?
Planten krijgen hun energie op een manier die heel anders is dan de manier waarop mensen energie verkrijgen. Wanneer een mens energie nodig heeft, eet hij voedsel. Wanneer een plant energie nodig heeft, gebruikt het het proces van fotosynthese om koolstofdioxide uit de omgeving op te nemen en zonlicht om te zetten in suikers, wat het soort energie is dat het nodig heeft om in leven te blijven. Wetenschappers hebben gewerkt aan het repliceren van het proces van fotosynthese, proberen de zonne-energie op een nieuwe, effectieve en ecologisch vriendelijke manier te benutten, en het kunstmatige fotosynthese-onderzoek heeft interessante resultaten opgeleverd.
De mogelijkheid om kunstmatige fotosynthese te produceren werd voor het eerst aangekondigd in 2000, hoewel het onderzoek zich daarvoor al in de planningsfase bevond. Onderzoekers vertrouwden op het Honda-Fujishima-effect, dat in 1953 werd ontdekt en titaniumdioxide als fotokatalysator gebruikt. Een fotokatalysator versnelt processen met betrekking tot licht en, in dit geval, energie.
Vanwege de wetenschappelijke en zakelijke interesse in kunstmatige fotosynthese en de wens voor potentiële nieuwe producten die hieruit zouden kunnen voortvloeien, viel het onderzoeksveld uiteen in twee kanten. Dit leverde twee verschillende resultaten op: foto-elektrochemische cellen en voor kleurstof gevoelige zonnecellen. Elke cel werkt volgens verschillende principes, maar probeert hetzelfde resultaat te verkrijgen: kunstmatige fotosynthetische energie die kan worden gebruikt en opgeslagen voor later gebruik, wat de afhankelijkheid van de wereld van niet-hernieuwbare energiebronnen zou verminderen.
Foto-elektrochemische cellen, ook wel PEC's genoemd, gebruiken de elektrische stroom van water om waterstof en zuurstof te creëren in een proces dat elektrolyse wordt genoemd. Elektriciteit kan vervolgens worden opgeslagen in de waterstof, een 'energiedrager', en de energie kan later worden gebruikt, bijvoorbeeld in batterijen. Er zijn twee soorten PEC's, een die halfgeleideroppervlakken gebruikt om de zonne-energie te absorberen en watermoleculen te splitsen voor energiegebruik. De andere variëteit gebruikt opgeloste metalen om zonne-energie aan te zuigen en het proces van kunstmatige fotosynthese te starten. De meest voorkomende metaalkatalysatoren voor dit type reactie zijn kobalt en rhodium. Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben ontdekt dat deze metalen het meest effectief zijn voor dit soort werk.
Het andere type cel dat wordt onderzocht, de voor kleurstof gevoelige zonnecel, wordt soms een Gratzel-cel of Graetzel-cel genoemd. Net als PEC's gebruiken voor kleurstof gesensibiliseerde kunstmatige fotosynthese-cellen een halfgeleider om energie te verzamelen, meestal silicium. In voor kleurstof gevoelige cellen wordt de halfgeleider gebruikt om de verzamelde energie te transporteren en worden de foto-elektronen of energiedeeltjes gescheiden en gebruikt met speciale kleurstoffen. Gratzel-cellen worden beschouwd als de meest effectieve vorm van kunstmatige fotosynthese die momenteel beschikbaar is, evenals de meest kostenefficiënte te produceren. De nadelen zijn voornamelijk te wijten aan temperatuursproblemen in verband met de vloeibare kleurstoffen, omdat deze kunnen bevriezen bij lagere temperaturen en de productie van energie stoppen, en bij hogere temperaturen uitzetten en breken.
Er wordt nog steeds onderzoek verricht op het gebied van kunstmatige fotosynthese, vooral om betere katalysatoren en energietransportmechanismen te vinden. Hoewel ze niet de meest effectieve vorm van energieproductie zijn die er is, is er toch grote interesse in vanwege hun hoge potentiële opbrengst, lage productiekosten en mogelijke implicaties voor het milieu. Als kunstmatige fotosynthese toegankelijk en betrouwbaar zou kunnen worden gemaakt, zou de afhankelijkheid van de wereld van niet-hernieuwbare fossiele brandstoffen aanzienlijk kunnen worden verminderd.