Een nieuwe manier om te kiezen welke reactie er plaatsvindt op een katalysator kan leiden tot schonere, efficiëntere chemie, dankzij nanoantennes die zijn te sturen met zichtbaar licht.

Stroom uit zonlicht maken kan al lang, maar nieuwe materialen ermee ontwikkelen? Met fotokatalyse willen scheikundigen de energie uit licht gebruiken om chemische reacties te sturen. In het vakblad Nature Nanotechnology publiceren Nederlandse wetenschappers deze week hoe je met gouden nanodeeltjes en de juiste kleur licht zelfs kunt sturen welke eindproducten er uit je reactie komen. Het werk is nog erg pril, zeggen de onderzoekers zelf, maar heeft wel potentie om bijvoorbeeld de chemische industrie te verduurzamen.

Lees ook:

• Nobelprijs scheikunde voor chemische reacties versnellen
• Deze chemische reactie werkt hypnotiserend

Goudstof

Goud als katalysator? Op de middelbare school leer je dat dit edelmetaal nauwelijks bijdraagt aan chemische reacties. Maar verpoeder het tot deeltjes van een paar nanometer groot – tienduizend keer dunner dan een haar – en goud wordt ineens een enthousiaste katalysator die chemische reacties vooruit helpt. Zeker als je weet dat zulke metalen nanodeeltjes razend gevoelige antennes zijn voor zichtbaar licht. Als miniatuurlenzen kunnen ze zo licht verzamelen uit een omgeving van wel honderd keer hun eigen doorsnee en die energie concentreren aan hun oppervlak.

Die geconcentreerde lichtenergie kun je prachtig inzetten om chemische reacties te laten verlopen, denkt onderzoeksleider Eitan Oksenberg, een postdoc van het Amsterdamse natuurkunde-instituut AMOLF. Dat is namelijk veel efficiënter dan de temperatuur en druk in de hele reactor omhoog te pompen en zo alle chemische reacties in de reactor te versnellen. Tenminste: als je weet hoe een gouddeeltje de energie van gevangen licht doorgeeft aan moleculen aan zijn oppervlak, zodat die chemische reacties aan kunnen gaan.

Selectieve katalysator

In Nature Nanotechnology beschrijft Oksenberg hoe hij met zijn collega’s achterhaalde op welke kleuren licht het molecuul Methyleen Blauw reageert aan het oppervlak van een nanodeeltje goud. Als testgeval, trouwens: praktische toepassingen hebben deze reacties niet. Afhankelijk van de kleur wisten de onderzoekers een losse methylgroep (CH₃­) van Methyleen Blauw af te splitsen, of konden ze het hele molecuul van het oppervlak wippen.

Selectieve chemische reacties zijn aantrekkelijk voor de chemische industrie. Scheikundige processen, zoals voor het produceren van brandstof, kunststoffen, en geneesmiddelen, zijn goed voor vijftien procent van het Nederlandse bruto nationaal product en verslinden energie. Niet alleen om reacties sneller te laten verlopen bij hoge druk en temperatuur, maar ook om in vervolgstappen het product van bijproducten te scheiden. Een selectieve katalysator die maar één product oplevert, heeft geen scheidingsstap meer nodig. Toch ziet Oksenberg zijn nanodeeltjes nog niet een-twee-drie de industrie in gaan.

Lek

Oksenberg: “De grootste doorbraak in ons onderzoek? Er hangt veel met elkaar samen, maar ik zou zeggen: dat we nu heel precies chemische reacties aan het oppervlak van gouden nanodeeltjes kunnen volgen, en dat je zo specifieke reacties kunt laten verlopen” In hun onderzoek zagen de wetenschappers dat licht van sommige golflengtes sneller weglekte uit het nanodeeltje, een teken dat moleculen aan het oppervlak die energie op konden nemen voor chemische reacties.

“Dit is nog heel fundamenteel onderzoek en we zijn ver van de praktische toepassing af”, geeft de materiaalonderzoeker toe. “Maar dat we hier heel selectief kunnen kiezen welke reactie er loopt in Methyleen Blauw, geeft wel hoop. Reacties sturen met licht en slim gekozen nanodeeltjes kan veel energievriendelijker zijn dan bestaande reactoren met hoge druk, temperatuur en energievretende reactiestappen.”

Schoon waterstof

Maar voor het zover is, is er dus nog een lange weg te gaan. Fotochemie met kleine, kwetsbare materialen die al snel het licht opnemen dat je nodig hebt voor je reacties is een lastig proces, zegt Oksenberg’s mede-onderzoeker Andrea Baldi (Vrije Universiteit in Amsterdam). Die gelooft niet dat de techniek ‘donkere chemie’ (katalyse zonder licht) ooit op grote schaal zal vervangen. Toch denkt hij dat er aantrekkelijke toepassingen zijn, zoals het produceren van schone waterstof.

“Waterstof is een ontzettend veelgebruikte grondstof in de chemische industrie, bijvoorbeeld om kunstmest te maken. We produceren waterstof nu nog door methaan – aardgas – te laten reageren met stoom. Daar krijg je waterstof uit, maar ook heel veel CO₂. Als we in plaats daarvan waterstof produceren door water te splitsen met de energie van zonlicht, kunnen we heel wat chemische processen verduurzamen.”

Bron: Nature Nanotechnology, Amolf, Eitan Oksenberg, Andrea Baldi

Beeld: Het molecuul Methyleen Blauw uit dit onderzoek wordt gebruikt als kleurstof, geneesmiddel en in medisch onderzoek – zoals hier om menselijke wangcellen te kleuren voor beter contrast in een microscoop. © Joseph Elsbernd, Wikipedia / Flickr

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!