17 feb. 1999
3 minuten
Fotosynthese is een complex aan processen waarbij planten zonnestralen en watermoleculen omzetten in energie. Het proces is gebaseerd op een pigment – het bekende chlorofyl – samen met enzymen, metalen en eiwitten. Kunnen we dit al nabootsen?
Fotovoltaïsche technologie, waarbij de energie van de zon wordt omgezet in elektriciteit met behulp van een zonnecel, is tot nu toe de dichtste benadering voor het bereiken van kunstmatige fotosynthese. Deze methode is extreem inefficiënt en gebruikt slechts 20% van de zonne-energie die het verzamelt. Fotosynthese in planten zet ongeveer 60% van de zonne-energie om in chemische energie. Bestaande fotovoltaïsche systemen zijn zo inefficiënt omdat ze beperkt zijn tot het vermogen van de halfgeleider in de cel om de lichtenergie van de zon te absorberen en om te zetten in stroom. Deze limiet kan zeker worden overwonnen met behulp van kunstmatige fotosynthese.
Materialen als strontiumtitanaat (SrTiO3) kunnen fungeren als fotokatalysatoren in zonne-apparaten en bij de constructie van brandstofcellen en resistieve schakelaars. Deze veelzijdigheid heeft wetenschappers ertoe aangezet om eigenschappen nog verder te onderzoeken, maar hiervoor is een dieper begrip van SrTiO3 vereist.
SrTiO3 en andere fotokatalytische materialen worden doorgaans gedoteerd met andere chemicaliën zoals niobium (Nb) om hun elektrische eigenschappen te verbeteren. In deze materialen kan echter ladingsrecombinatie optreden wat hun efficiëntie aanzienlijk vermindert, aangezien mobiele ladingsdragers in het materiaal, zoals gaten en elektronen, elkaar beginnen te vernietigen wanneer ze worden blootgesteld aan zonlicht. Eerdere studies hebben aangetoond dat kristaldefecten de recombinatie van ladingen kunnen beïnvloeden.
Onderzoekers van het Nagoya Institute of Technology, Japan, wilden ontdekken wat Nb-doping precies zou doen met SrTiO3. Ze testten de impact van doping met een lage concentratie, en helemaal geen doping, op de recombinatie van het SrTiO3-kristaloppervlak. Ze onderzochten aanvankelijk de verval- of oppervlakterecombinatiepatronen van SrTiO3 getest met verschillende hoeveelheden Nb, samen met monsters zonder enige doping. Dergelijke patronen werden geïdentificeerd in termen van microgolffotogeleidingsverval, en in de tijd opgeloste fotoluminescentiemethoden werden toegepast om de recombinatie-eigenschappen van bulkcarriers van ongedoteerde en gedoteerde monsters te onderzoeken, evenals de energieniveaus die worden gegenereerd door dotering met Nb.
De aard van recombinatie van dragers bleek niet direct evenredig te zijn met de dopingconcentratie, maar was indicatief voor Shockley-Read-Hall en oppervlakteprocessen (die beide niet worden beïnvloed door het verlaten van de dragerconcentratie). Bovendien vertoonde het monster met doping een veel snellere vervalcurve, wat volgens de onderzoekers hoogstwaarschijnlijk komt door de opname van een recombinatiecentrum vanwege de Nb-doping. Hoge dopingniveaus vertoonden negatieve resultaten van dragerdoping, en de grootte en vorm van de fotokatalysator hadden geen invloed zoals eerder werd gedacht.
De studie wees uit dat SrTiO3 dat matig gedoteerd was (relatief gesproken) met Nb, mogelijk een effectievere en efficiëntere fotokatalysator is dan alleen pure SrTiO3, met name bij bedrijfstemperaturen die hoger zijn dan normaal.
Toekomst van kunstmatige fotosynthese
Er zijn veel verschillende manieren van onderzoek met als uiteindelijk doel kunstmatige fotosynthese te creëren. Een alternatief voor de hierboven besproken methode is een synthetisch bladsysteem, gemaakt door een chemicus van de University of California Berkeley. Dit eerste fotosynthetische biohybride systeem (PBS) maakt gebruik van levende bacteriën en halfgeleiders om het fotosynthetische werk uit te voeren dat echte planten doen. Dit omvat het absorberen van lichtenergie en het genereren van een chemisch product met behulp van koolstofdioxide en water, en het vrijgeven van zuurstof terwijl een vloeibare brandstof wordt gegenereerd.
Ook dit onderzoek vordert in hoog tempo, maar heeft nog een lange weg te gaan voordat het als een commercieel product kan worden beschouwd. PBS is op dit moment niet kosteneffectief of duurzaam genoeg om op consistente wijze te worden verkocht of zelfs maar te worden gebruikt. Er zullen verbeteringen aan dit systeem worden aangebracht om de levende bacteriën te vervangen door een kunstmatige vervanger. Bacteriën hebben tot nu toe bewezen de meest efficiënte katalysator te zijn, maar door de aard van levende bacteriën gaan ze dood. Daarom zijn ze niet zo duurzaam of langdurig als een levenloze stof die een langere tijd meegaat.
Anderen lazen ook
