Kunstmatige fotosynthese
advertisement
Kunstmatige fotosynthese Lucy Y. Tao en Jin Z. Smeding Dominicus College Nijmegen 23 februari 2016 Kunstmatige fotosynthese Lucy Y. Tao en Jin Z. Smeding 6 VWO, Dominicus College, Nijmegen Begeleidster: Sonja Schoenmakers Profiel: Natuur en Gezondheid (N&G) & Natuur en Techniek (N&T) Vakken: scheikunde, biologie en natuurkunde In samenwerking met BioSolar Cells en de Universiteit van Amsterdam, prof. dr. Joost Reek Datum: 23 februari 2016 © Foto omslag: Jin Smeding Voorwoord Voor u ligt ons profielwerkstuk over kunstmatige fotosynthese. Wij zijn Lucy Tao en Jin Smeding, twee leerlingen uit 6VWO van het Dominicus College te Nijmegen. We hebben beiden een natuurprofiel en we wilden ons profielwerkstuk dan ook aan de bètavakken koppelen. Na een aantal lange brainstormsessies kwamen we uit op zonnecellen, maar dit vonden wij niet origineel genoeg. Later kwamen we een artikel over kunstmatige fotosynthese tegen en hierin waren we beiden meteen geïnteresseerd. Na meer informatie te hebben vergaard, kwamen we er achter dat er nog niet heel veel bekend is over kunstmatige fotosynthese, aangezien er nog veel onderzoek naar gedaan wordt. Dit onderwerp is namelijk erg actueel en belangrijk. De mens verbruikt per jaar enorm veel fossiele brandstoffen. Daarmee wordt er ook een grote hoeveelheid CO2 uitgestoten, wat bijdraagt aan het broeikaseffect. Daarnaast raken de fossiele brandstoffen op en moet er gezocht worden naar alternatieven. Een van die alternatieven is kunstmatige fotosynthese. Planten en bomen doen al eeuwen aan fotosynthese, de omzetting van H2O en CO2 met behulp van zonlicht in biomassa en zuurstof. Als de mens dit proces kan reproduceren, zal dit het energieprobleem kunnen oplossen en het versterkte broeikaseffect kunnen verminderen. Sommige kunstmatige fotosynthese systemen zetten H2O om in H2 en O2. Deze systemen kunnen dus voor een nieuwe en groene energiebron zorgen. Andere systemen halen ook CO2 uit de lucht om dit om te zetten in brandstof. Hiermee zal ook het versterkte broeikaseffect verminderd kunnen worden. Uit de informatie die we hadden gevonden bleek dat er wereldwijd veel verschillende onderzoeken naar kunstmatige fotosynthese worden gedaan. De enige onderzoeksgroep die we konden vinden en die in Nederland gevestigd is, is BioSolar Cells. Dit is een samenwerkingsverband tussen verschillende kennisinstellingen en bedrijven. Professor Joost Reek speelt binnen deze samenwerking een belangrijke rol en met zijn onderzoeksteam doet hij onderzoek naar kunstmatige fotosynthese. Hun onderzoek vindt plaats op de Universiteit van Amsterdam (UvA). Nadat besloten was dat het onderwerp van ons profielwerkstuk kunstmatige fotosynthese zou worden, wisten we al snel dat we graag mevrouw Sonja Schoenmakers als begeleidster wilden, aangezien fotosynthese uit scheikundige reacties bestaat. We willen haar graag hartelijk bedanken voor goede begeleiding. 5 Daarnaast willen we professor Joost Reek, Remko Detz, René Becker, Simon Mathew en Rene Williams enorm bedanken voor hun tijd, vriendelijke ontvangst en de hulp bij ons profielwerkstuk. Verder gaat onze dank uit naar meneer Jacques Benen, die veel wetenschappelijke artikelen voor ons beschikbaar heeft gesteld, Liyan Smeding, die bij de statistische analyses heeft geholpen, en de TOA’s van het Dominicus College, die ons bij het praktijkonderzoek hebben begeleid. We hopen dat u ons profielwerkstuk met plezier zult lezen. Nijmegen, februari 2016 Lucy Y. Tao Jin Z. Smeding 6 Inhoudsopgave Inhoudsopgave Inleiding ................................................................................................................... 9 Hoofdstuk 1: Natuurlijke fotosynthese .................................................................... 10 1.1 Wat is natuurlijke fotosynthese? ................................................................. 10 1.2 De lichtreactie ............................................................................................. 11 1.3 De donkerreactie ........................................................................................ 14 Hoofdstuk 2: Kunstmatige fotosynthese door BioSolar Cells .................................. 15 Inleiding: wat is kunstmatige fotosynthese? ...................................................... 15 2.1 De instantie BioSolar Cells ......................................................................... 15 2.2 Reactie 1: licht opvangen ........................................................................... 16 2.3 Reactie 2: H2O splitsen ............................................................................... 17 2.4 Reactie 3: productie H2 ............................................................................... 18 2.5 Resultaten .................................................................................................. 18 Hoofdstuk 3: Praktijkonderzoek ............................................................................. 19 Praktijkonderzoek 1 .......................................................................................... 19 3.1 Doelstelling ........................................................................................... 19 3.2 Intermezzo: de Grätzel cel .................................................................... 19 3.3 Methode ............................................................................................... 21 3.4 Hypothese ............................................................................................ 23 3.5 Resultaten ............................................................................................ 24 3.6 Verwerking resultaten ........................................................................... 25 3.7 Conclusie.............................................................................................. 26 3.8 Discussie .............................................................................................. 27 Praktijkonderzoek 2 .......................................................................................... 28 Hoofdstuk 4: Andere onderzoeken......................................................................... 30 4.1 Kunstmatige fotosynthese door MIT ........................................................... 30 4.2 Kunstmatige fotosynthese door Panasonic Corporation.............................. 32 7 Inhoudsopgave 4.3 Kunstmatige fotosynthese door Monash University .................................... 33 Hoofdstuk 5: Conclusie .......................................................................................... 35 Hoofdstuk 6: Discussie .......................................................................................... 36 Evaluatie ................................................................................................................ 38 Lucy ................................................................................................................. 38 Jin .................................................................................................................... 39 Afkortingenlijst ...................................................................................................... 42 Verantwoording ..................................................................................................... 43 Internetbronnen ................................................................................................ 43 Wetenschappelijke artikelen ............................................................................. 44 Boeken ............................................................................................................. 44 Video’s ............................................................................................................. 45 Illustraties ......................................................................................................... 45 Overige bronnen............................................................................................... 45 Bijlagen .................................................................................................................. 47 A. Plan van aanpak .......................................................................................... 48 B. Logboek ....................................................................................................... 52 C. Verslag Bezoek BioSolar Cells..................................................................... 61 D. t-toetsen....................................................................................................... 71 8 Inleiding Inleiding In dit onderzoek wordt antwoord gegeven op de vraag hoe BioSolar Cells door middel van chemische reacties op basis van natuurlijke fotosynthese brandstof maakt en hoe dit proces van het proces van natuurlijke fotosynthese verschilt. Om deze vraag te beantwoorden wordt er ten eerste ingegaan op natuurlijke fotosynthese. Hierbij wordt uitgelegd wat dit is en hoe dit in zijn werk gaat. Daarnaast is naar het proces van BioSolar Cells gekeken. Hierbij wordt gekeken naar wat BioSolar Cells precies doet en de reactiemechanismen van hun proces van kunstmatige fotosynthese worden toegelicht. Hierbij wordt meteen de vergelijking gemaakt met natuurlijke fotosynthese. Bij het beantwoorden van deze vragen is er gebruik gemaakt van internetpagina's, voorgaande onderzoeken van wetenschappers en boeken. Vanzelfsprekend is er ook informatie gebruikt die bij het bezoek aan de onderzoeksgroep van BioSolar Cells op de UvA is opgedaan. Naast dit literatuuronderzoek is er ook een praktijkonderzoek gedaan. Hierin wordt onderzocht hoe de geleiding van de elektronen in een Grätzel cel onder invloed staan van verschillende kleuren licht. Hierbij wordt de spanning van Grätzel cellen gemeten bij paars, blauw, groen, geel en rood licht. Met behulp van statistische analyses worden er berekeningen gemaakt. De resultaten van deze analyses geven antwoord op de onderzoeksvraag van het praktijkonderzoek. De verwachting is dat er bij groen licht een hogere spanning gemeten zal worden dan bij rood licht en dat er bij paars licht een grotere hoeveelheid volt zal worden gemeten dan bij blauw, geel en rood licht. Om te laten zien dat kunstmatige fotosynthese niet alleen door BioSolar Cells, maar ook door universiteiten en bedrijven wereldwijd wordt onderzocht, worden er ook drie andere onderzoeken kort uitgelegd. De onderzoeken van Massachusetts Institute of Technology (MIT), Panasonic Corporation en Monash University worden met behulp van het internet en wetenschappelijke artikelen besproken. Verder worden het literatuuronderzoek en het praktijkonderzoek aan elkaar gekoppeld. Ook worden er kort mogelijke toepassing van kunstmatige fotosynthese gegeven. 9 1 Natuurlijke fotosynthese Hoofdstuk 1: Natuurlijke fotosynthese 1.1 Wat is natuurlijke fotosynthese?1 Fotosynthese, oftewel koolstofassimilatie is het volgende netto chemische proces: 6 πΆπ2 + 6 π»2 π → πΆ6 π»12 π6 + 6 π2 . Dit gebeurt met behulp van licht in de chloroplasten (bij planten: bladgroenkorrels) van autotrofe organismen. De bruto vergelijking: 6 πΆπ2 + 12 π»2 π → πΆ6 π»12 π6 + 6 π»2 π + 6 π2 Fotosynthese speelt een belangrijke rol in de koolstofkringloop: door koolstofdioxide uit de lucht te halen is dit een belangrijk proces om het versterkte broeikaseffect in toom te houden. De reactieproducten zijn essentieel voor het leven op aarde: zuurstof voor verbranding en glucose als bron van energie bij dissimilatie en andere vormen van biomassa bij voortgezette assimilatie. Fotosynthetische organismen staan dan ook aan het begin van de meeste voedselketens. Chloroplasten zijn opgebouwd uit twee membranen (Figuur 1). Binnen het buitenste membraam zit een sterk geplooide binnen-membraan en het stroma. Het sterk geplooide binnen-membraan (lamel) vormt muntachtige eenheden: de thylakoïden. Binnen een thylakoïde bevindt zich de thylakoïdruimte. Een Figuur 1 Opbouw van een chloroplast. 1 ‘stapel’ thylakoïden wordt een granum genoemd. In het proces van fotosynthese zijn twee reactiemechanismen te onderscheiden: de lichtreactie en de donkerreactie. De lichtreactie vindt plaats in de binnen-membraan, de donkerreactie in het stroma. 1 PUC of Science (Radboud Universiteit), module 8 (z.d.) 10 1 Natuurlijke fotosynthese Figuur 2 De fotosystemen in het thylakoïdmembraan. Figuur 3 Fotosynthese, lichtreactie. 3 1.2 De lichtreactie23 De lichtreactie vindt plaats in de thylakoïdmembranen. Naast O2 (na het splitsen van water) wordt er ATP en NADPH gevormd. In een netto reactievergelijking (de molverhoudingen van ADP, Pi en ATP kunnen afwijken): π»2 π + ππ΄π·π+ + π΄π·π + ππ → 1 2 π2 + ππ΄π·ππ», π» + + π΄ππ. Bij de lichtreactie zijn twee fotosystemen betrokken: fotosysteem I (PSI) en fotosysteem II (PSII). Deze bestaan weer uit een kerncomplex en een lightharvesting antenna complex (LHCI en LHCII, in figuur 2: chlorofyl). Verder zijn er andere moleculen betrokken die als oxidator of reductor functioneren in de redoxreactie om de elektronen te vervoeren van PSII naar PSI. 2 Biologie Voor Jou, 5a leeropdrachtenboek (2012) 3 BINAS 2012 (Tabel 69B) 11 2 1 Natuurlijke fotosynthese Het fotosyntheseproces start bij een mangaan bevattende elektronenacceptor (in figuur 3: blokje Z), dat water splitst in protonen, elektronen en zuurstof-ionen in de thylakoïdruimte. De zuurstofionen binden aan elkaar en vormen zuurstofgas. De elektronen komen in PSII (in figuur 3: P680) terecht. Hier worden ze energierijk gemaakt met behulp van zonne-energie. De reactie ziet er als volgt uit: 2 π»2 π (+ πππβπ‘πππππππ) → 4 π» + + 4 π − + π2 Een fotosysteem bestaat uit een antennecomplex en een kerncomplex. Een antennecomplex bestaat uit verschillende pigmentmoleculen die licht absorberen. In figuur 4 zijn dit de lichtgroene rondjes: antenna pigment molecules. De energie die de pigmentmoleculen hiermee opvangen worden doorgegeven aan het doelwitpigment, Figuur 4 Fotosysteem. 4 geïllustreerd door de zwarte pijlen in figuur 4. In de kern van een fotosysteem bevindt zich het doelwitpigment, wat in figuur 4 reactioncenter chlorophyll wordt genoemd (het donkergroene rondje). In dit reactiecentrum wordt lichtenergie (van fotonen) omgezet in chemische energie (van aangeslagen elektronen).4 De energie van deze elektronen wordt gebruikt voor actief transport van de protonen van het stroma naar de thylakoïdruimte. Dit gebeurt door middel van een elektronentransportketen die achtereenvolgend reageren als oxidator en reductor. Zoals uit figuur 4 blijkt, gaan de net energierijk gemaakte elektronen van het doelwitpigment naar de primaire elektronenacceptor, in het geval van PSII, feofytine. Het elektronentransportketen bestaat uit de volgende componenten: - Plastochinon (Figuur 3: Pq), een reductor voor vervoer elektronen van feofytine naar cytochroom-bf. De elektronen verliezen bij deze stap energie, waar cytochroom-bf gebruik van maakt. 4 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings. Laatste raadpleging: 22 februari 2016, http://bioserv.fiu.edu/~walterm/GenBio2004/chapter8_photosynthesis/photosynthetic_process _download.htm 12 1 Natuurlijke fotosynthese - Cytochroom-bf is een eiwit dat de energie die de elektronen in de elektronentransportketen verliezen gebuikt om H+ uit de stroma naar de thylakoïdruimte actief te transporteren. Een verhoogde concentratie H+ is nodig voor de productie van ATP. De productie van ATP maakt geen onderdeel uit van een fotosysteem of elektronentransportketen, maar is wel essentieel voor de fotosynthese. De ATP-productie wordt hieronder in een intermezzo uitgelegd. o Intermezzo: bij het eiwit ATP-synthase (in figuur 2: ATP-synthetase) diffunderen de H+ uit de thyakoïdruimte naar het stroma. De diffusie, berust op concentratieverschil, levert de nodige energie voor het enzym ATP-synthase om de volgende reactie te laten plaatsvinden: π΄π·π + ππ → π΄ππ. - Plastocyanine, een reductor dat de energiearme elektronen van cytochroombf naar PSI vervoert. Het bovenstaande elektronentransportketen brengt door middel van redoxreacties de elektronen bij PSI. Hier worden de elektronen nog eens energierijk gemaakt met behulp van zonne-energie (in P700). Dit gebeurt op dezelfde wijze als in P680. De primaire elektronenacceptor van PSI is een ijzer-zwaveleiwit. Hierna doorlopen de elektronen weer een elektronentransportketen, bestaand uit: - Ferredoxine, verplaatst elektronen, helpt NADP-reductase met het binden van 2 H+, die vrij zijn gekomen bij het splitsen van water. De elektronen kunnen twee kanten op: o bij cyclische fotofosforylering (Figuur 3, BT 69B3) zijn ferredoxine en NADP-reductase geblokkeerd. De elektronen gaan naar plastochinon en doorlopen vanaf dat punt de gewone weg. Het gevolg hiervan is dat er meer H+ in de lumen komen en dus dat er ATP dan NADPH,H+ wordt gemaakt. o Bij niet-cyclische fotofosforylering (Figuur 3, BT69B2) vervolgen de elektronen de onderstaande route. - NADP-reductase: enzym voor de reactie ππ΄π·π+ + 2π» + + 2π − → ππ΄π·ππ», π» + De NADPH,H+ en ATP uit de lichtreactie gaan naar de donkerreactie. 13 1 Natuurlijke fotosynthese 1.3 De donkerreactie5 De donkerreactie, ook wel calvincyclus genoemd, vindt plaats in het stroma. De reactie gaat als volgt: 6 πΆπ2 + 6 π»2 π + 18 π΄ππ + 12 ππ΄π·ππ», π» + → πΆ6 π»12 π6 + 3 π2 + 6 π»2 π + 18 π΄π·π + 18 ππ + ππ΄π·π+ . Wat er stap voor stap gebeurt wordt geïllustreerd in figuur 5. De ADP, Pi en NADP+ kunnen hergebruikt worden in de lichtreactie. C6H12O6, glucose, is een vaste stof die opgeslagen kan worden, eventueel in de vorm van een polysacharide, die gevormd wordt bij voortgezette assimilatie. Deze stof kan als bouwstof en als brandstof dienen voor het organisme. Figuur 5 Fotosynthese, donkerreactie. 5 5 BINAS 2012 (Tabel 69C) 14 2 Kunstmatige fotosynthese door BioSolar Cells Hoofdstuk 2: Kunstmatige fotosynthese door BioSolar Cells6 Inleiding: wat is kunstmatige fotosynthese? In hoofdstuk 1 Natuurlijke fotosynthese is het chemische proces van fotosynthese besproken zoals deze in planten en bomen plaatsvindt. Bij kunstmatige fotosynthese wordt geprobeerd dit proces te repliceren zonder gebruik te maken van levende organismen. Dit leidt tot een aanpassing van de reacties, met onder andere het gevolg dat er geen glucose wordt gevormd. Kunstmatige fotosynthese is een relatief nieuw onderzoeksgebied; er zijn nog geen toepassingen van op de markt. Verschillende instanties doen onderzoek naar kunstmatige fotosynthese. In dit hoofdstuk wordt eerst informatie gegeven over de instantie BioSolar Cells. Vervolgens zal er worden ingezoomd op het onderzoek van prof. Joost Reek aan de UvA naar kunstmatige fotosynthese, wat onderdeel uitmaakt van BioSolar Cells. Na contact met professor Joost Reek te hebben gehad, werd het laboratorium bezocht op 25 november 20156. Onderzoeken van andere instellingen worden kort besproken in hoofdstuk 4 Andere onderzoeken. 2.1 De instantie BioSolar Cells7 BioSolar Cells is een samenwerkingsverband tussen tien kennisinstellingen, waaronder UvA, en 45 partners uit het bedrijfsleven. Dit onderzoeksproject loopt vijf jaar en wordt aangestuurd door een managementteam. Daarnaast kent BioSolar Cells een Wetenschappelijke Adviesraad. Dit samenwerkingsverband houdt zich bezig met het verspreiden van en het vergroten van de kennis over duurzame zonneenergie. Het managementteam bestaat uit een vierkoppig comité en acht clusterleiders. De algemeen directeur, René Klein Lankhorst, de voorzitter steering committee, Raoul Bino, de wetenschappelijk directeur, Huub de Groot en de Valorisatie officier, Gionata Leone, vormen het comité. Joost Reek en Ernst Sudhölter zijn clusterleider van ‘(Semi-) kunstmatige systemen’, Klaas Hellingwerf en Gerrit Eggink van ‘Algen 6 Bijlage C Verslag Bezoek BioSolar Cells 7 BioSolar Cells (2016). Over BioSolar Cells. Laatste raadpleging: 22 februari 2016, http://www.biosolarcells.nl/over-biosolar-cells/ 15 2 Kunstmatige fotosynthese door BioSolar Cells en bacteriën’, Herbert van Amerongen en Jeremy Harbinson van ‘Planten’ en Jan Dekker en Robin Purchase van ‘Onderwijs en maatschappelijk debat’. In de Wetenschappelijke Adviesraad hebben Leslie Dutton, Eva-Mari Aro, Tony Harriman, Wolfgang Lubitz en Wilhelm Gruissem zitting. BioSolar Cells wordt gefinancierd door het ministerie van Economische Zaken, Landbouw en Innovatie (25 miljoen euro), de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) (3,5 miljoen euro), Nederlandse universiteiten en onderzoeksinstituten (7 miljoen euro) en het bedrijfsleven (6,5 miljoen euro).8 Binnen dit samenwerkingsverband wordt er naast wetenschappelijke publicaties ook heel veel informatie gedeeld. Over elk cluster wordt uitleg gegeven over wat het cluster inhoudt en waarom het belangrijk is. Er worden op de website van BioSolar Cells debatten en nieuwsartikelen gedeeld. Daarnaast zijn er door BioSolar Cells modules voor het Voortgezet Onderwijs ontwikkeld voor de vakken biologie, natuurkunde, scheikunde en NLT/maatschappijleer. Ook voor het Wetenschappelijk Onderwijs (bachelor, master en honoursprogramma) zijn er cursussen ontwikkeld. 2.2 Reactie 1: licht opvangen Het vangen van licht gebeurt net als bij natuurlijke fotosynthese met behulp van antennesystemen. Dit houdt in dat er een netwerk van kleurstoffen moet worden gevormd met een doelwitpigment.9 De “standaard” kleurstofmoleculen bestaan uit een porfyrine-groep en een metaal in het centrum10. In theorie kunnen hier eindeloos veel verschillende combinaties mee gemaakt worden, net zoals er in de restgroepen van de porfyrines eindeloos variaties gemaakt kunnen worden. De kleurstofmoleculen moeten aan een aantal eisen voldoen. Zo moeten de kleurstofmoleculen goed licht absorberen. Ook moeten elektronen zich gemakkelijk in het antennesysteem kunnen verplaatsen. Deze verplaatsing mag maar één kant 8 BioSolar Cells (2016). Over BioSolar Cells. Laatste raadpleging: 22 februari 2016, http://www.biosolarcells.nl/over-biosolar-cells/ 9 “Bij de verhitting vormden de moleculen netwerken en verdween het oplosmiddel. Het resultaat wat uit de oven kwam was een donker roodbruin poeder die onder vacuümomstandigheden kristalleren, waarna ze kunnen binden met katalysatoren en zo antennesystemen vormen.”, bron: Bijlage C Verslag Bezoek BioSolar Cells 10 Figuur 11, Bijlage C Verslag Bezoek BioSolar Cells, p. 64 16 2 Kunstmatige fotosynthese door BioSolar Cells op gaan, namelijk in de richting van het actieve centrum van het antennesysteem, anders vindt er geen reactie plaats. Verder moeten de kleurstofmoleculen genoeg energie leveren om van de gebonden elektronen vrije elektronen te maken. Dit is afhankelijk van de reductor. De kleurstofmoleculen moeten goed binden aan de TiO2, maar deze interactie mag bovengenoemde punten niet beïnvloeden.11 Vergeleken met de antennesystemen van planten staan deze antennesystemen nog maar in de kinderschoenen. Hoewel de evolutie een lange tijd heeft gehad om haar antennesystemen te perfectioneren, halen planten geen hoog rendement. Het zit zelfs zo dat de fotosyntheseactiviteit bij planten theoretisch het hoogst is bij weinig zon.12 Dit komt doordat veel zonlicht schadelijke radicalen oplevert. Schade wordt in zulke gevallen voorkomen door moleculaire dimschakelaars waarmee planten een teveel aan lichtenergie in een andere vorm van energie omzetten, zoals warmteenergie, of door fluorescentie, waarmee het elektron in aangeslagen toestand komt maar terugvalt in de grondtoestand en geen vrij elektron wordt dat reageert.11 2.3 Reactie 2: H2O splitsen13 Het splitsen van H2O vindt plaats op een glasplaatje met aan één zijde een laagje fluorine doped tin oxide (FTO). De zijde waarop het laagje FTO zit, kan elektronen geleiden. Op het glasplaatje worden kleurstofmoleculen en katalysatoren gebonden door middel van TiO2. Dit plaatje wordt in vloeibaar water gestopt en belicht. De kleurstofmoleculen absorberen het licht en gebruiken deze energie om H2O te splitsen: 2 π»2 π (+ πππβπ‘πππππππ) → 4 π» + + 4 π − + π2 , hetzelfde proces zoals gebeurt bij fotosynthese in de bladeren van planten. Met de overmaat H2O vormen de H+ atomen die vrijkomen H3O+ (aq): het water wordt zuurder naarmate de reactie langer doorgaat. Om dit tegen te gaan wordt vooraf een fosfaatbuffer in het water toegevoegd. Vergeleken met de fotosynthese reactie zoals die is besproken in hoofdstuk 1 Natuurlijke fotosynthese is dit een minder complex systeem. Dit komt onder andere doordat er geen ATP en/of NADPH,H+ gemaakt hoeft te worden. 11 Bijlage C Verslag Bezoek BioSolar Cells 12 Beurkens, Simone M.J.H. (z.d.). ‘Het systeem aarde. Biosfeer; fotosynthese in de koolstofcyclus. PUC of Science (Radboud Universiteit): Een Machtig Avontuur, module 8. p.48-53. 13 Bijlage C Verslag Bezoek BioSolar Cells 17 2 Kunstmatige fotosynthese door BioSolar Cells 2.4 Reactie 3: productie H2 Ook de productie van H2 vindt plaats op een glasplaatje met FTO. Aan dit plaatje zijn porfyrines, bijvoorbeeld met Zr in het centrum, en katalysatoren gebonden. De katalysator voor de reactie 2 π» + + 2 π − → π»2 is gebaseerd op het enzym hydrogenase, dat voorkomt in een bacterie die H2 produceert. Zowel de waterstofionen als de elektronen zijn afkomstig uit de reactie waarin H2O wordt gesplitst. De elektronen verplaatsen zich door een stroomdraad en bij de optimale opstelling diffunderen de waterstofionen door een membraan van de ene kant naar de andere kant. Dit membraan wordt echter nog niet volop gebruikt in het onderzoek. Aangezien planten geen H2 maar glucose produceren, staat deze reactie los van wat in hoofdstuk 1 Natuurlijke fotosynthese is besproken. 2.5 Resultaten Aan alle bovenstaande componenten van het kunstmatige fotosynthese systeem van BioSolar Cells wordt nog volop onderzoek gedaan. Het is het onderzoeksteam van professor Joost Reek al gelukt om H2 te maken, maar de resultaten zijn nog niet constant en zeker nog niet optimaal of efficiënt genoeg om op de markt te brengen. Omdat het onderzoek nog niet is afgerond, zijn de resultaten nog niet gepubliceerd. 18 3 Praktijkonderzoek Hoofdstuk 3: Praktijkonderzoek Praktijkonderzoek 1 3.1 Doelstelling Het doel van dit praktijkonderzoek is om er achter te komen hoe de geleiding van de elektronen in een Grätzel cel onder invloed staat van verschillende kleuren licht. Dit wordt getest bij paars, blauw, groen, geel en rood licht. Hierbij wordt er gekeken naar de hoeveelheid spanning die de Grätzel cel bij deze kleuren licht oplevert. Voor dit onderzoek is gekozen om een Grätzel cel te gebruiken, omdat het proces van het licht opnemen en een stroom van elektronen opwekken hetzelfde is als het proces dat BioSolar Cells gebruikt voor kunstmatige fotosynthese. Als er in dit onderzoek meer spanning wordt gemeten bij een bepaalde kleur licht, zal deze bepaalde kleur licht ook een voordeel zijn voor de kunstmatige fotosynthese van BioSolar Cells. De elektronenstroom zal dan groter zijn en dit betekent dat er in het proces van kunstmatige fotosynthese van BioSolar Cells meer waterstof en zuurstof kan worden geproduceerd bij die kleur licht. 3.2 Intermezzo: de Grätzel cel14 De Grätzel cel, genoemd naar ontdekker professor Michael Grätzel (1991)15, is een foto-elektrochemische cel (PEC), een zonnecel die met behulp van zonlicht chemische energie opwekt en kan opslaan. De cel kan opgedeeld worden in verschillende lagen. Beide elektroden bevatten een glasplaatje met op één zijde transparant conductive oxide (TCO). Het glasplaatje beschermt de cel en de TCO zorgt voor een deel van de geleiding van de elektronen. Op de kathode, de ‘plus’elektrode, zit op de TCO een laagje grafiet dat elektronen geleidt en als katalysator functioneert. Aan de anode, de ‘min’-elektrode, hechten titaandioxidemoleculen (TiO2) aan de TCO. Deze TiO2-moleculen vormen een driedimensionaal netwerk 14 Het werkingsprincipe van de kleurstof zonnecel. Laatst geraadpleegd: 10 februari 2016, http://www.mansolar.nl/technology?___store=nederlands&___from_store=default 15 O'Regan, B. & Grätzel, M. (24 oktober 1991). ‘A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films’. Nature 353, 737-740. Laatste raadpleging: 10 februari 2016, http://www.nature.com/nature/journal/v353/n6346/pdf/353737a0.pdf 19 3 Praktijkonderzoek waar de elektronen door geleid kunnen worden. Aan de TiO2-moleculen hechten kleurstofmoleculen. De beste tot nu toe bekende natuurlijke kleurstofmoleculen zijn anthocyanen. Deze kleurstofmoleculen zijn onder andere te vinden in bramen, frambozen en hibiscusbloemen. Om de kleurstofmoleculen aan de TiO2-moleculen te laten binden, kun je het glasplaatje met de TCO en de TiO2 in bijvoorbeeld hibiscusthee leggen. Tussen de kathode en de anode zit een elektrolyt, vaak wordt jodide hiervoor gebruikt (Figuur 6). Er wordt een koperdraadje van de anode naar de kathode geleid, zodat de stroomkring dicht is.16 Figuur 6 Schematische weergave van het werkingsprincipe van de Grätzel cel. Wanneer er licht op de Grätzel cel valt, zullen de kleurstofmoleculen een deel van de energie van dit licht opvangen. Deze energie wordt vervolgens overgedragen op de elektronen van de kleurstofmoleculen, waardoor deze elektronen in een aangeslagen toestand raken. De elektronen komen vrij en hebben genoeg energie om door de driedimensionale structuur van de TiO2 te gaan bewegen. Via de TCO en het koperdraadje worden de elektronen naar de kathode geleid. De elektronen worden hier opgenomen door ionen en door de elektrolyt geleid. Wanneer de ionen een kleurstofmolecuul vinden die een elektron heeft afgestaan, wordt het elektron van de ion op het kleurstofmolecuul overgedragen. De stroomkring is nu rond en het proces kan weer opnieuw beginnen. 16 Het werkingsprincipe van de kleurstof zonnecel. Laatst geraadpleegd: 10 februari 2016, http://www.mansolar.nl/technology?___store=nederlands&___from_store=default 20 16 3 Praktijkonderzoek 3.3 Methode 3.3.1 Benodigdheden - Grätzel cel: o 2 glasplaatjes met TCO per Grätzel cel (in dit onderzoek zijn er vier cellen gebruikt; in totaal 8 glasplaatjes met TCO) o TiO2 (vloeistof) + plaatje om TiO2 uit te smeren o Tape of plakband o Föhn o Gasbrander, rooster en driepoot o Hibiscusthee (kleurstof) o Waterkoker (om de thee te zetten) o Schaaltje o Jodide (elektrolyt) o Potlood (om de grafietlaag aan te brengen) o 4 klemmetjes o Water o Papier - Multimeter - Donkere ruimte zonder licht - Philips Livingcolors Tafellamp Micro, wit, LED (7001831PH) 64 kleuren Lichtsterkte: 50 lumen Netspanning: 100-240 V, 50-60 Hz Wattage meegeleverde lamp: 4,7 W 3.3.2 Het prepareren van de Grätzel cel Twee glasplaatjes met TCO zijn schoongespoeld met water en droog geveegd met papier. Om te controleren aan welke kant van de glasplaatjes de TCO zat, werd de multimeter op spanning gezet en werden de draadjes tegen een zijde van de glasplaatjes gehouden. De kant waar de TCO niet op zat gaf een één op de multimeter; de TCO zat dus op de andere kant. Daarna werden de glasplaatjes met de TCO naar boven wijzend op een tafel gelegd. Op één van de twee plaatjes werd met een potlood een grafietlaagje aangebracht. Het andere glasplaatje werd aan drie zijden afgeplakt met tape (lange zijde ongeveer 2 mm en de korte zijde ongeveer 5 21 3 Praktijkonderzoek mm). Er werden twee druppels TiO2 op het glasplaatje, waar geen tape zat, gedruppeld en dit werd met een plastic plaatje zo gelijkmatig mogelijk uitgesmeerd. De TiO2 werd met een föhn gedroogd (10 cm afstand tussen de föhn en het glasplaatje). Nadat de TiO2 droog was, werd de TiO2 laag gesinterd. Het glasplaatje werd met de TiO2 naar boven op een rooster op een driepoot gelegd. Met een stille blauwe vlam van een gasbrander, waarvan de top van de vlam net onder het glasplaatje zat, werd het glasplaatje verwarmd. Na een korte tijd werd de witte TiO2 bruin en daarna weer wit. Nadat de TiO2 weer wit was geworden, was het sinteren klaar en werd het glasplaatje op een ander rooster gelegd om af te koelen tot kamertemperatuur. Hierna werd er hibiscusthee gemaakt; water werd in een waterkoker verhit tot het kookpunt en in een bekerglas met hibiscusbladeren gegoten. Nadat de thee 5 minuten had getrokken, werd de thee zonder bladeren in een schaaltje gegoten. Het glasplaatje met de TiO2 werd met de witte kant naar boven in het schaaltje met de thee gelegd. Na 5 minuten werd het glasplaatje uit de thee gehaald. Het glasplaatje had nu een rood-paarse kleur; de kleurstofmoleculen uit de thee hadden zich aan de TiO2 gebonden. Het glasplaatje werd voorzichtig met water afgespoeld en met een papiertje droog geveegd. Daarna werd een druppel jodide op de TiO2 gedaan. Het andere plaatje werd met de zijde met het grafietlaagje op de jodide gelegd. De jodide verspreidde zich tussen de twee glasplaatjes zonder luchtbellen te vormen. De twee glasplaatjes werden met een klemmetje op elkaar vast geklemd, zodat deze niet verschoven. 3.3.3 Proefopstelling en verloop De klemmetjes van de kabels werden aan de uiteinden van de Grätzel cel geklemd en de kabels werden in de multimeter gestoken. De multimeter werd op 2V gezet. De Philips Livingcolors Tafellamp Micro (7001831PH) werd in het stopcontact gestopt en op een blauwe kleur gezet. De ramen werden verduisterd en de lichten werden uit gedaan. De Grätzel cel werd, aan de kabeltjes vastgehouden, met de kant van de TiO2 tegen de lamp aan gehouden. De multimeter werd afgelezen en de maximale spanning werd genoteerd. Daarna werd de Grätzel cel omgedraaid, zodat de grafietkant van de cel tegen de lamp aan zat, en weer werd de maximale spanning afgelezen en genoteerd. Dit werd herhaald met de andere drie cellen. Hierna werd dit proces met de kleuren rood, groen, geel en paars herhaald. 22 3 Praktijkonderzoek 3.4 Hypothese Bij groen licht zal een grotere hoeveelheid spanning gemeten worden dan bij rood licht. Verder wordt er verwacht dat er bij paars licht betere geleiding van elektronen zal zijn dan bij blauw, geel of rood licht. Volgens de formule πΈπ = βπ λ , waarin Ef de energie van een foton (in J) is, h de constante van Planck (in Js), c de lichtsnelheid (in m/s) en λ de golflengte (in m), zal de energie van de foton toenemen naarmate de golflengte van het licht kleiner wordt. Omdat de golflengte van paars licht kleiner is dan die van blauw, groen, geel of rood licht17, zal de energie van de fotonen bij paars licht groter zijn dan de energie van de fotonen bij blauw, groen, geel of rood licht. Omdat de gebruikte kleurstof (anthocyanen in hibiscusthee) een rode kleur heeft, zal het rode licht weerkaatst, en dus niet opgenomen, worden. De complementaire kleur, groen licht, zal het beste worden opgenomen door de rode kleurstof18. Hierdoor zullen er dus meer fotonen van het groene licht worden opgenomen dan fotonen van het paarse, blauwe, gele en rode licht. De energie die bij het groene licht per foton wordt opgenomen zal minder zijn dan de energie per foton bij het paarse en blauwe licht, maar omdat er bij het groene licht meer fotonen worden opgenomen dan bij het paarse of blauwe licht, zal er in totaal bij het groene licht meer energie worden opgenomen door de elektronen dan bij het paarse of blauwe licht. Bij het gele en rode licht zullen er minder fotonen worden opgenomen dan bij het paarse, blauwe of groene licht. Daarnaast zal de hoeveelheid energie per foton bij het gele en rode licht lager zijn dan bij het paarse, blauwe en groene licht. Er zal dus een verschil zitten tussen de verschillende kleuren licht (paars, blauw, groen, geel en rood). De gemeten spanning bij groen licht zal hoger zijn dan die bij rood licht. Verder zal paars licht meer spanning opwekken dan blauw, geel of rood licht. H0 = de verschillende kleuren licht hebben geen invloed op de geleiding van de elektronen H1 = er zit een verschil tussen de verschillende kleuren licht 17 BINAS 2012 (Tabel 19A) 18 Bijlage C Verslag bezoek BioSolarCell, Dhr. Dr. Rene M. Williams 23 3 Praktijkonderzoek 3.5 Resultaten De maximale spanning van een Grätzel cel is bij paars, blauw, groen, geel en rood licht gemeten. Dit is gedaan bij een lichtbron die vanaf de TiO2 kant van de Grätzel cel kwam (Grafiek 1) en bij een lichtbron die vanaf de grafiet kant van de Grätzel cel kwam (Grafiek 2). In beide grafieken is te zien dat de maximale spanning bij het blauwe licht veel lager is dan de maximale spanning bij paars, groen, geel of rood licht. Ook blijkt uit deze grafieken dat in beide gevallen geel licht de hoogste maximale spanning geeft. Maximale spanning van een Grätzel cel bij verschillende kleuren licht; lichtbron vanaf de TiO2 kant Maximale spanning (Volt) 0,35 0,3 0,25 0,2 cel 1 0,15 cel 2 cel 3 0,1 cel 4 0,05 0 paars blauw groen geel Verschillende kleuren licht rood Grafiek 1 Maximale spanning van een Grätzel cel bij verschillende kleuren licht; lichtbron vanaf de TiO2 kant. 24 3 Praktijkonderzoek Maximale spanning van een Grätzel cel bij verschillende kleuren licht; lichtbron vanaf de grafiet kant Maximale spanning (Volt) 0,3 0,25 0,2 cel 1 0,15 cel 2 0,1 cel 3 0,05 cel 4 0 paars blauw groen geel Verschillende kleuren licht rood Grafiek 2 Maximale spanning van een Grätzel cel bij verschillende kleuren licht; lichtbron vanaf de grafiet kant. 3.6 Verwerking resultaten Door middel van een two way anova zonder herhaling (Tabel 1) van de gegevens uit grafiek 1 is bepaald of er een significant verschil zit tussen de verschillende kleuren licht (voor α=0,05). Hieruit bleek dat P-waarde kleiner dan 0,05 was. Omdat de anova niet aan geeft tussen welke kleuren er een significant verschil zit, zijn er tien gepaarde t-toetsen gedaan (Bijlage D t-toetsen). Deze statistische analyses zijn in Excel 2010 uitgevoerd. 25 3 Praktijkonderzoek Multifactoriële analyse zonder herhaling SAMENVATTING Aantal Som Gemiddelde Variantie paars 4 1,084 0,271 0,001285 blauw 4 0,548 0,137 0,007495 groen 4 0,975 0,24375 0,000413 geel 4 1,154 0,2885 0,000278 rood 4 0,795 0,19875 0,007922 Gemiddelde F Variantie-analyse Bron van variatie Kwadratensom Vrijheidsgraden kwadraten Kolommen 0,059575 4 0,014894 Fout 0,025752 12 0,002146 P- Kritische gebied waarde van F-toets 6,940176 0,003922 3,259167 Tabel 1 Two way anova zonder herhaling. 3.7 Conclusie De anova geeft een P-waarde van 0,0039 (Tabel 1). Binnen de statistiek is afgesproken dat de H0 verworpen wordt wanneer de P-waarde lager dan 0,05 ligt. In dit geval ligt de gevonden P-waarde lager dan 0,05, dus de H0 mag verworpen worden en er kan worden uitgegaan van de H1. Er zit dus een significant verschil tussen de gemeten spanningen bij verschillende kleuren licht. Uit de t-toetsen bleek dat er tussen blauw en geel (P-waarde van 0,0138)19, blauw en paars (P-waarde van 0,0288)19 en groen en geel (P-waarde van 0,0143)19 een significant verschil zat. Bij het gele licht werd er een significant grotere spanning gemeten dan bij het blauwe licht. Verder was dit bij het paarse licht significant meer dan bij het blauwe licht. Het aantal volt was bij het gele licht ook significant meer dan bij het groene licht. Uit de t-toetsen (Bijlage D t-toetsen) is gebleken dat de maximale spanning bij groen licht niet significant groter is dan bij rood licht. Dit is niet in overeenstemming met de hypothese en dit kan veroorzaakt zijn door een aantal factoren (3.8 Discussie). Bij het paarse licht is alleen aangetoond dat dit significant meer spanning oplevert dan blauw licht. De verschillen tussen het aantal volt bij aan de ene kant paars licht en 19 Bijlage D t-toetsen 26 3 Praktijkonderzoek aan de andere kant geel en rood licht zijn niet significant gebleken. Ook dit komt niet overeen met de hypothese. Mogelijke oorzaken hiervan zijn te lezen in 3.8 Discussie. Wanneer er een kleur licht gekozen zou moeten worden waarbij een zo groot mogelijke spanning van een Grätzel cel gemeten moet worden, dan moet geel licht boven blauw licht verkozen worden. Ook paars licht zal hiervoor beter geschikt zijn dan blauw licht. Daarnaast zal geel licht een beter resultaat opleveren dan groen licht. 3.8 Discussie In dit onderzoek is onderzocht wat de invloed van verschillende kleuren licht, paars, blauw, groen, geel en rood licht, was op de geleiding van elektronen in een Grätzel cel. Dit is getoetst door de spanning en de stroom van vier Grätzel cellen te meten bij deze kleuren licht. De verwachting was dat de maximale hoeveelheid spanning bij groen licht groter zou zijn dan bij rood licht en dat dit bij paars licht groter zou zijn dan bij blauw, rood en geel licht. Uit de resultaten van dit onderzoek blijkt dat er tussen alle geteste kleuren licht verschil zit in de gemeten spanning. Uit de statistische analyse die vervolgens is uitgevoerd blijkt dat alleen tussen blauw en geel, blauw en paars en groen en geel een significant verschil zit. Hoewel dit uit de t-toetsen blijkt, kan dit niet met zekerheid worden aangenomen. Er zijn namelijk een aantal factoren die de meetwaarden hebben kunnen beïnvloed. Ten eerste zijn de gebruikte Grätzel cellen zelf gemaakt. Hierdoor is de hoeveelheid TiO2 en de hoeveelheid kleurstofmoleculen in de cellen niet gelijk. Het kan zijn dat er in de ene cel meer TiO2 zit, waardoor er meer plaats is voor de kleurstofmoleculen om te binden en er dus meer elektronen geleid kunnen worden. Ook is het mogelijk dat de ene cel iets langer in de hibiscusthee heeft gelegen, waardoor er meer kleurstofmoleculen hebben kunnen binden met de TiO2 en er dus meer elektronen geleid kunnen worden. Ten tweede is de hoeveelheid spanning van de Grätzel cellen met drie cijfers achter de komma gemeten. Er is gebruikt gemaakt van een multimeter, omdat in eerste instantie het idee was om naast de spanning ook de stroom in ampère te meten. Door tijdgebrek is dit laatste echter niet gelukt. Het gebruik van een multimeter heeft er wel toe geleid dat de metingen niet heel erg nauwkeurig zijn. 27 3 Praktijkonderzoek Ten derde zijn de gebruikte cellen meer dan twee weken na het bouwen gebruikt. De elektrolyt kan gedeeltelijk zijn opgedroogd, waardoor de elektronen minder goed door de cel geleid kunnen worden. Bovendien waren de kleuren licht subjectief; de kleurcodes van de gebruikte kleuren licht, en daarmee de precieze kleuren, waren niet bekend. Ook de golflengten van de kleuren licht waren niet bekend. Hierdoor konden er geen berekeningen met de golflengte gedaan worden en de precieze hoeveelheid energie kon niet berekend worden. Verder is niet gekeken naar de geleiding van elektronen in een Grätzel cel bij zonlicht of wit licht. Hier kan dus ook niet mee vergeleken worden. De Grätzel cel is een zonnecel en zal dus voornamelijk bij zonlicht gebruikt worden. Omdat hier niet mee vergeleken kan worden, kan er ook niets gezegd worden over de kleur licht waarbij de geleiding van elektronen optimaal of beter dan de standaard is (waarbij de standaard zonlicht is). Ook bestond de onderzoeksgroep uit slechts vier cellen. Zoals in de resultaten te zien is, zit er tussen cel 1 en 2 aan de ene kant en cel 3 en 4 aan de andere kant bij de maximale spanning van een Grätzel cel bij blauw licht (lichtbron vanaf de TiO2 kant, Grafiek 1) een groot verschil. Wanneer er een grotere onderzoeksgroep wordt gebruikt, zal de variantie kleiner zijn. Er zal verder onderzoek gedaan moeten worden naar de invloed van verschillende kleuren licht op de geleiding van elektronen in een Grätzel cel om de bevindingen van dit onderzoek te controleren. In dit vervolgonderzoek zal er met licht gewerkt moeten worden waarvan de golflengte bekend is. Ook zal er naast de kleuren licht die in dit onderzoek zijn getest wit licht of zonlicht moeten worden getest om een betere vergelijking te kunnen maken. Verder zal het vergroten van de onderzoeksgroep tot een beter onderzoek leiden. Om de nauwkeurigheid van de meetgegevens te verbeteren zou een voltmeter gebruikt kunnen worden in plaats van een multimeter. Praktijkonderzoek 2 Voordat praktijkonderzoek 1 uitgevoerd is, was het plan om de geleiding van de Grätzel cel te meten bij verschillende temperaturen (20°C, 60°C en 100°C). Dit was het eerste idee, omdat er op de aarde veel verschillende klimaten bestaan, ieder met hun eigen temperatuur. De vraag ‘hoe staan de stroom en spanning van de Grätzel 28 3 Praktijkonderzoek cel onder invloed van de temperatuur bij 20, 60 en 100 graden Celsius?’ moest beantwoord worden. De verwachting was dat er bij een hogere temperatuur meer kinetische energie zou zijn en dat maximale spanning bij een hogere temperatuur hierdoor ook hoger zou zijn dan bij een lagere temperatuur. Omdat er meer kinetische energie is, zullen de elektronen sneller in de aangeslagen toestand komen en dus eerder vrije elektronen worden. Deze vrije elektronen zullen dan ook meer energie hebben, waardoor de spanning hoger zal zijn. De Grätzel cellen werden geprepareerd, zoals in 3.3.2 Het prepareren van de Grätzel cel beschreven is. Hierna werd het waterbad klaargezet op 20°C. De Grätzel cel werd aan de uiteinden van de cel met de kabeltjes aan de multimeter verbonden. De multimeter werd op 2V gezet en de Grätzel cel werd aan de kabeltjes naast het waterbad vastgehouden. De multimeter werd afgelezen en de gegevens werden genoteerd. Daarna werd de Grätzel cel boven het waterbad gehouden en de multimeter werd afgelezen. Hierna werd de Grätzel cel in een doorzichtig plasticzakje in het waterbad gehouden, zodat de cel intact zou blijven. Opnieuw werd de multimeter afgelezen en het aantal volt werd genoteerd. De verwachting was dat het aantal volt dat werd gemeten in het waterbad en boven het waterbad dicht bij elkaar in de buurt lag. De gegevens die genoteerd waren, waren erg verschillend. Omdat deze meetgegevens niet in de buurt kwamen van de verwachting, werden deze metingen met een andere Grätzel cel herhaald. Ook deze meetgegevens lagen ver uit elkaar. Hierna werd de temperatuur van het waterbad verhoogd tot 100°C en werden dezelfde metingen naast, boven en in het waterbad uitgevoerd. De metingen waren opnieuw erg verschillend en er werd bekeken waar dit aan zou kunnen liggen. Het vermoeden was dat de hoeveelheid licht op elke plaats anders was. Daarom werd het aantal volt in de schaduw van het waterbad en op een andere plaats naast het waterbad gemeten. Deze metingen waren wederom erg verschillend en het vermoeden werd dus bevestigd. Er is toen besloten om te stoppen met dit onderzoek en om een onderzoek (Praktijkonderzoek 1) te doen. 29 4 Andere onderzoeken Hoofdstuk 4: Andere onderzoeken Kunstmatige fotosynthese is een actueel onderwerp dat steeds belangrijker wordt. Nu de fossiele brandstoffen langzaamaan op raken, is men op zoek naar een nieuwe, onuitputbare energiebron. Een oplossing zou kunstmatige fotosynthese kunnen zijn. Niet alleen BioSolar Cells houdt zich bezig met kunstmatige fotosynthese, maar ook universiteiten en bedrijven wereldwijd doen er onderzoek naar. Doordat er allerlei verschillende instanties onderzoek naar doen, zijn er ook veel verschillende methoden van kunstmatige fotosynthese uitgevonden. 4.1 Kunstmatige fotosynthese door MIT20 Een van de universiteiten die onderzoek hebben gedaan naar kunstmatige fotosynthese is MIT, Cambridge, Massachusetts (Verenigde Staten). Het onderzoeksteam, onder leiding van professor Daniel Nocera, heeft een kunstmatig blad ontwikkeld. Dit blad zet water met behulp van zonlicht om in zuurstof en waterstof. De onderzoekers van MIT hebben een PEC met draden en een draadloze PEC gemaakt. De onderdelen en de reacties die in beide cellen plaatsvinden zijn voor het grootste gedeelte hetzelfde; alleen de plaats waar deze onderdelen zitten en de reacties plaatsvinden is anders (Figuur 7). In de PEC met draden wordt een siliconen zonnecel (3jn-a-Si) op een roestvrij stalen plaatje gemonteerd. Op deze siliconen zonnecel zit een laagje Indium Titaan Oxide (ITO), waarop de oxiderende katalysator (Co-OEC katalysator) is aangebracht. De op nikkel gebaseerde katalysator (NiMoZn) is op een nikkel mesh (een soort gaas) geplaatst. Deze nikkel mesh is met een draad verbonden met het roestvrij stalen plaatje. 20 Reece, S. Y. & Hamel, J. A. & Sung, K. & Jarvi, T. D. & Esswein, A. J. & Pijpers, J. J. H. & Nocera, D. G. (29 september 2011). ‘Wireless Solar Water Splitting Using Silicon-Based Semiconductors and Earth-Abundant Catalysts’. Science. Laatste raadpleging: 22 februari 2016, http://science.sciencemag.org/content/early/2011/09/28/science.1209816 30 4 Andere onderzoeken In de draadloze cel zit de Co-OEC katalysator ook op een laagje ITO, die op een siliconen zonnecel zit. Hieraan zit net als bij de PEC met draden een roestvrij stalen plaatje. De NiMoZn katalysator is in de draadloze zonnecel op de andere kant van het roestvrij stalen plaatje aangebracht. Wanneer de cel in water in zonlicht wordt gezet, zullen er na een tijdje vanzelf O2 en H2 bubbels ontstaan. Het water zal dan met behulp van de Co-OEC katalysator omgezet worden in zuurstof en waterstofionen, zoals in de volgende reactievergelijking: 2 π»2 π (π) → π2 (π) + 4 π» + + 4 π − . De waterstofionen die hierbij ontstaan reageren vervolgens met behulp van de NiMoZn katalysator tot waterstof. De reactie hier plaatsvindt kan als volgt worden opgeschreven: 4 π» + + 4 π − → 2 π»2 (π). Indien de ontstane O2 bubbels en H2 bubbels gescheiden worden gehouden, kunnen de twee stromen van deze bubbels opgevangen en opgeslagen worden, om later als brandstof gebruikt te worden. Een van de redenen dat dit kunstmatige blad nog niet op de markt kan worden gebracht is het lage rendement. De PEC met draden heeft een overall solar-energy to fuel-energy conversion efficiency (SFE), oftewel het rendement van Figuur 7 Schematische weergave van een PEC met draden (a) en 21 een draadloze cel (b). zonne-energie tot brandstofenergie, van 4,7% en de draadloze cel heeft een SFE van 2,5%21. Om dit systeem commercieel te maken, moeten ook de kosten omlaag worden gebracht. De gebruikte materialen komen in overvloed voor op aarde en zijn dus goedkoop, maar de kosten om het systeem op grote schaal te bouwen zijn nog hoog. In één van Nocera’s vervolgonderzoeken is de SFE verhoogd tot 10%22. 21 Reece, S. Y. & Hamel, J. A. & Sung, K. & Jarvi, T. D. & Esswein, A. J. & Pijpers, J. J. H. & Nocera, D. G. (29 september 2011). ‘Wireless Solar Water Splitting Using Silicon-Based Semiconductors and Earth-Abundant Catalysts’. Science. Laatste raadpleging: 22 februari 2016, http://science.sciencemag.org/content/early/2011/09/28/science.1209816, p. 645, 647. 22 Cox, C. R. & Lee, J. Z. & Nocera, D. G. & Buonassisi, T. (15 september 2014). ‘Ten- percent solar-to-fuel conversion with nonprecious materials’. Chemistry. Laatste raadpleging: 22 februari 2016, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4191778/ 31 4 Andere onderzoeken 4.2 Kunstmatige fotosynthese door Panasonic Corporation23 Ook het Japanse elektronicabedrijf Panasonic Corporation houdt zich bezig met kunstmatige fotosynthese. Het team van Panasonic heeft een systeem ontwikkeld waarin water en koolstofdioxide met behulp van zonlicht omgezet wordt in zuurstof en brandstof, onder andere methaanzuur, ook wel mierenzuur genoemd, en ethanol. Dit systeem bestaat uit twee processen. In het ene proces wordt water geoxideerd en in het andere wordt CO2 omgezet in brandstof. De foto-elektrode waarop de oxidatie van water plaatsvindt ligt water en hier wordt licht op geschenen. Voor deze elektrode wordt een nitride halfgeleider gebruikt, omdat de excitatie-energie die deze halfgeleider opwekt voldoende is voor de omzetting van CO2. Bij de oxidatie van water treedt de volgende reactie op: 2 π»2 π (π) → π2 (π) + 4 π» + + 4 π − . De vrijgekomen elektronen gaan via een metalen draadje naar de metalen katalysator tegenover de nitride halfgeleider. De waterstofionen die zijn ontstaan gaan via een watertunnel naar de metalen katalysator (Figuur 8). Hier vindt de reductie van CO2 plaats. Een van de reacties die hier verloopt is 2 π»2 π (π) + 2 πΆπ2 (π) → π2 (π) + 2 π»πΆπππ» (π)24. Figuur 8 Schematische weergave van het kunstmatige 23 fotosynthese systeem van Panasonic Corporation. 23 Panasonic Headquarters News (30 juli 2012). Panasonic Develops Highly Efficient Artificial Photosynthesis System Generating Organic Materials from Carbon Dioxide and Water. Laatste raadpleging: 22 februari 2016, http://news.panasonic.com/press/news/official.data/data.dir/2012/07/en120730-5/en1207305.html 24 https://www.youtube.com/watch?v=q2lPQWL3o0U, minuut 1:34 32 4 Andere onderzoeken Op 30 juni 2013 was het gemeten rendement van het systeem, 0,2%25 (zonneenergie tot brandstofenergie), naar eigen zeggen werelds hoogste rendement. Dit percentage is vergelijkbaar met het rendement van echte planten. Panasonic is momenteel bezig om met dit systeem andere reactieproducten te laten ontstaan, zoals alcoholen of koolwaterstoffen. 4.3 Kunstmatige fotosynthese door Monash University26 Een andere universiteit die zich bezig houdt met kunstmatige fotosynthese is Monash University, Melbourne (Australië). Onder leiding van professor Leone Spiccia heeft het onderzoeksteam een systeem ontwikkeld, waar waterstof en zuurstof bij vrijkomt. Met dit systeem heeft het team een record SFE gemeten van 22%26. Niet alleen het gebruik van de juiste katalysator is van belang om een zo hoog mogelijk SFE te krijgen, maar ook het koppelen van de eigenschappen van de zonnecel aan de katalysator heeft een grote invloed op de SFE. De cel die het team heeft gebruikt bestaat uit een kathode en een anode, beiden gemaakt van nikkelschuim. Dit materiaal is in overvloed op de aarde aanwezig en het is erg goedkoop. Ook heeft het nikkelschuim een hoge stabiliteit in de gebruikte omstandigheden en is het mogelijk een grote oppervlakte te creëren. Verder geleidt nikkelschuim de elektronen goed en is het potentiaal hoog genoeg om de reacties te laten verlopen. De kathode en de anode zijn met een metalen draadje aan elkaar gekoppeld, zodat de stroomkring gesloten is. Hierbij ontstaat er waterstof aan de kathode en zuurstof aan de anode. In het onderzoek is de SFE van de cel met verschillende elektrolyten gemeten. De record SFE van 22,4% is bij een elektrolyt van 1,0 M NaOH (pH=13,6)26, een 25 Panasonic Headquarters News (30 juli 2012). Panasonic Develops Highly Efficient Artificial Photosynthesis System Generating Organic Materials from Carbon Dioxide and Water. Laatste raadpleging: 22 februari 2016, http://news.panasonic.com/press/news/official.data/data.dir/2012/07/en120730-5/en1207305.html 26 Bonke, S. A. & Wiechen, M. & MacFarlane, D. R. & Spiccia, L. (11 augustus 2015) ‘Renewable fuels from concentrated solar power: towards practical artificial photosynthesis’. Energy Environ Sci.,2015, 8, 2791. Laatste raadpleging: 22 februari 2016, http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/ee/c5ee02214b#!divAbstract 33 4 Andere onderzoeken elektrolyt van 1,0 M natriumsulfaat (pH=6,5)27 en een elektrolyt van 1,0 M zwavelzuur (pH=0,0)27 gemeten. Ook 1,0 M fosfaatbuffer (pH=7,0)27 bleek een stabiele stroom van elektronen te creëren. Bij het testen van de eerste elektrolyt, 1,0 M NaOH (pH=13,6) bleek de optimum oppervlakte van de elektroden 10 cm2 te zijn27. Verder is de cel met een elektrolyt van 1,0 M fosfaatbuffer (pH=7,0), gemaakt met gefilterd rivierwater (uit de Yarra River, Melbourne, Australië), getest. Dezelfde hoge SFE kan worden gemeten, maar de optimum oppervlakte van de elektroden was hierbij 20 cm2 27. Dit laat zien dat deze cellen ook in rivierwater kunnen worden gebruikt, wat gunstig is voor de toepassing van de cellen. 27 Bonke, S. A. & Wiechen, M. & MacFarlane, D. R. & Spiccia, L. (11 augustus 2015) ‘Renewable fuels from concentrated solar power: towards practical artificial photosynthesis’. Energy Environ Sci.,2015, 8, 2791. Laatste raadpleging: 22 februari 2016, http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/ee/c5ee02214b#!divAbstract 34 5 Conclusie Hoofdstuk 5: Conclusie Op basis van het literatuuronderzoek kan er antwoord worden gegeven op de vragen hoe BioSolar Cells brandstof maakt door middel van chemische reacties gebaseerd op fotosynthese en hoe kunstmatige fotosynthese van BioSolar Cells van de natuurlijke fotosynthese verschilt. Overeenkomsten Ten eerste zijn beide scheikundige reacties redox-reacties. De overeenkomstige reactie is 2 π»2 π → 4 π» + + 4 π − + π2 . Ten tweede gebeurt stap één van beide redoxreacties, namelijk het spitsen van water, op vergelijkbare wijze. Bovendien gebruikten beide systemen zonlicht als energiebron. Verder wordt het zonlicht geabsorbeerd en verwerkt door antennesystemen. Verschillen Het kunstmatige fotosynthese systeem van BioSolar Cells maakt geen gebruik van membraan-reacties zoals planten wel doen. Dit komt doordat planten behalve O2 ook ATP en NADPH,H+ produceren in de lichtreactie. Het gevolg is dat er andere intermoleculaire bindingen zijn: planten gebruiken het membraan en BioSolar Cells gebruiken geleidende glasplaatjes en TiO2. Om dezelfde reden hebben planten twee antennesystemen in één reactieketen en gebruikt BioSolar Cells maar één antennesysteem per reactieketen. Daarnaast verschillen de kleurstofmoleculen die in de antennesystemen worden gebruikt. Planten produceren glucose en BioSolar Cells produceert H2. Dit betekent dat het tweede deel van de redox-reactie, in tegenstelling tot het eerste deel van de redoxreactie, totaal verschillend is tussen planten en het kunstmatige fotosynthese systeem van BioSolar Cells. Praktijkonderzoek Zoals in 3.7 Conclusie staat beschreven, bleek uit het praktijkonderzoek dat de maximale spanning bij groen licht niet significant groter is dan bij rood licht. Ook bleek paars licht niet significant meer spanning op te wekken dan geel of rood licht. Dit is beiden niet in overeenstemming met de hypothese. Mogelijke oorzaken hiervan zijn te lezen in 3.8 Discussie. 35 6 Discussie Hoofdstuk 6: Discussie Omdat de onderzoekvragen van het literatuuronderzoek en van het praktijkonderzoek eigenlijk niets met elkaar te maken hebben, kan er ook geen vergelijking worden gedaan van de conclusies. Zoals in hoofdstuk 3 Praktijkonderzoek is beschreven, is de werking van een Grätzel cel vergelijkbaar met het proces van kunstmatige fotosynthese waar BioSolar Cells onderzoek naar doet. De uitkomst van het praktijkonderzoek was dat de hoeveelheid spanning van een Grätzel cel bij geel licht significant groter was dan bij blauw of groen licht. Ook wekte paars licht significant meer spanning op in een Grätzel cel dan blauw licht. Omdat de manier waarop de spanning wordt opgewekt bij zowel de Grätzel cel als het kunstmatige fotosynthese systeem van BioSolar Cells hetzelfde is, is het waarschijnlijk dat de elektronen bij geel licht ook meer energie hebben dan bij blauw of groen licht en dat de spanning bij paars licht groter is dan bij blauw licht. Dit is echter nog niet onderzocht. Om dit te testen, zou er een nieuw onderzoek naar gedaan moeten worden. Uit het literatuuronderzoek is gebleken dat het onderzoeksteam van BioSolar Cells nog niet zo ver is om een werkende kunstmatige fotosynthese cel te kunnen demonstreren. Zolang dit nog niet mogelijk is, kunnen er ook geen testen, zoals het meten van de maximale spanning bij verschillende kleuren licht, mee gedaan worden. De resultaten en de verwerking hiervan kunnen dus niet vergeleken worden. Als dit systeem in de toekomst stabiel genoeg is en het rendement voldoende is, zou dit, net zoals zonnepanelen, op de commerciële markt kunnen komen. Er zijn al verschillende kunstmatige fotosynthese systemen die stabiel genoeg zijn, maar die zijn nog niet gereed om op de markt te komen. Een aantal redenen hiervoor zijn te lage rendementen, te kostbare of dure materialen of te hoge installatiekosten. Een voorbeeld van een systeem dat wel al stabiel is, is het kunstmatige blad van MIT (4.1 Kunstmatige fotosynthese door MIT). Het onderzoeksteam van MIT heeft ook al nagedacht over hoe het kunstmatige blad toegepast kan worden. Elk huis zou panelen, die zonne-energie opnemen, op het dak kunnen bevestigen (bijvoorbeeld zonnepanelen). Overdag kan de energie die hierbij ontstaat door de apparaten in het huis gebruikt worden. Tegelijkertijd kan de overmaat aan energie gebruikt worden om water te splitsen, zoals in het kunstmatige blad. De ontstane waterstof en zuurstof 36 6 Discussie kan dan opgeslagen worden en ’s nachts kan dit in een brandstofcel weer omgezet worden in water, waardoor er elektriciteit ontstaat (Figuur 9).28 Figuur 9 Concept toepassing kunstmatig blad MIT 28 Kunstmatige fotosynthese zou ook in fabrieken gedaan kunnen worden. Er zouden fabrieken gebouwd kunnen worden waarin dit proces plaats vindt. De reactieproducten, zoals koolwaterstoffen of waterstof en zuurstof, zouden dan als transportbrandstof of als grondstof in andere fabrieken of voor het genereren van elektriciteit gebruikt kunnen worden. 28 The Future of Things. Improved way for creating hydrogen developed. Laatste raadpleging: 23 februari 2016, http://thefutureofthings.com/3715-improved-way-for-creating-hydrogendeveloped/ 37 Evaluatie Evaluatie Lucy Hoewel ik, Lucy, bij het kiezen van dit onderwerp al wel wist dat we te maken zouden hebben met ingewikkelde teksten en processen, keek ik er naar uit me te verdiepen in de kunstmatige fotosynthese. Deze interesse is gedurende het proces niet verminderd. De samenwerking met Jin vond ik erg prettig. Zoals in het logboek (Bijlage B Logboek) te zien is, hebben we de theorie grotendeels zelfstandig doorgenomen en verwerkt. Dit is tijd die we zelf konden inplannen, wat ik heel fijn vond aangezien we goed rekening konden houden met onze eigen agenda’s. Ook hebben we tussendoor samen afspraken gemaakt. Een klein minpuntje was het feedback geven tussendoor. Ik had persoonlijk graag meer feedback gewild en het kwam op mij over alsof Jin mijn feedback niet waardeerde. Het tijdsplan kreeg naarmate we verder in het proces waren meer vorm, aangezien we afhankelijk waren van de reacties van de externe instanties. Verder konden we elkaar makkelijk bereiken, wat fijn was voor overleg. Ook bij het bezoek aan de Universiteit van Amsterdam hebben we effectief informatie verzameld; ik maakte aantekeningen van wat de wetenschappers ons vertelden en Jin maakte foto’s van opstellingen, waarnemingen en complexe moleculaire structuren die ik niet zo snel na kon tekenen. Deze samenwerking heeft er onder andere toe geleid dat ik de grote stroom aan informatie die we die dag hebben gekregen goed kon verwerken in dit verslag. De taakverdeling was helder en we hebben ons beiden aan de afspraken gehouden. We zijn op tijd begonnen met plannen, maar we hebben de week voor de deadline van dit profielwerkstuk aanpassingen moeten maken in verband met een mislukt proefje (Praktijkonderzoek 2). Ik ben zeer positief op de manier waarop wij met deze “last-minute” aanpassingen om zijn gegaan, al zou ik in het vervolg de eigen proefjes eerder inplannen (hoewel we beiden nauwelijks tijd hadden om hiervoor een gezamenlijk tijdstip te vinden) om deadline-stress te voorkomen. 38 Evaluatie Op de Universiteit van Amsterdam heb ik een leuke, gezellige en hele leerzame dag gehad, met speciale dank aan professor dr. Joost Reek, die de dag voor ons had ingepland. We begonnen met een inleiding op zijn kantoor en gingen daarna het laboratorium in om mee te kijken met waar zijn collega’s op het moment onderzoek naar deden. De dag sloten we af met het maken van een Grätzel cel. De wetenschappers waren allemaal erg vriendelijk en enthousiast, ook naar aanleiding van de vele vragen die we hebben gesteld. Wat ik wel jammer vond, was dat ik nooit meer een mailtje terug heb gekregen van dr. Remko Detz, die de meetgegevens en grafieken van het proefje dat hij die dag had gedaan (waar wij bij aanwezig waren) zou opsturen. Terugkijkend op het traject van het profielwerkstuk vind ik dat het goed is verlopen. Voor een volgende keer zou ik veel hetzelfde doen. Wat beter zou kunnen, is het beter en sneller afbakenen van ons onderzoeksgebied; in de trant van het formuleren van een algemene onderzoeksvraag bij dit profielwerkstuk. Dit was een van de problemen waar we ook daadwerkelijk tegenaan zijn gelopen. Een van de gevolgen hiervan was dat we aan het begin van het traject tijd hebben gestopt in artikels, bijvoorbeeld het Nature artikel dat betrekking had op een onderzoeksgroep van RUG, wat achteraf niet nodig was voor ons profielwerkstuk. Ik verwachtte dat het profielwerkstuk veel werk zou zijn, zeker met een complex en niet zo standaard onderwerp als kunstmatige fotosynthese. Ik had verwacht dat er meer begeleiding zou zijn van mijn profielwerkstuk-begeleidster, Sonja Schoenmakers, maar dat bleek uiteindelijk veel minder te zijn. Ze heeft goede feedback gegeven wanneer we er om vroegen, maar heeft zich gedurende het proces niet echt met ons werk bemoeid. Verder moet ik zeggen dat ik de complexiteit van een aantal zaken heb onderschat, zoals hoofdstuk 1 Natuurlijke fotosynthese. Er komt bij fotosynthese namelijk heel wat meer kijken dan het globale verhaal dat we in 5VWO bij biologie hebben gehad. Jin Ik ken Lucy al sinds ik op het Dominicus College zit en ik wist dat wij goed konden samenwerken. We werken beiden hard en komen onze afspraken goed na. Ik wist dus dat ik aan Lucy een goede partner had. Over het algemeen vind ik dat we trots kunnen zijn op dit profielwerkstuk. Het schrijven hiervan is zonder grote obstakels verlopen. 39 Evaluatie Ook bij dit project is onze samenwerking goed verlopen. Natuurlijke waren er af en toe meningsverschillen, maar die zijn over het algemeen goed opgelost. De taakverdeling, zoals ook in Bijlage A Plan van Aanpak staat beschreven, was duidelijk en ieder heeft zich hier ook netjes aan gehouden. Vooral in de laatste dagen had ik toch wel het idee dat ik net wat meer had gedaan. Misschien kwam dit doordat de lay-out en de statistiek in het praktijkonderzoek wat meer tijd vergde dan ik had verwacht. We hebben veel apart gewerkt (dit is ook in Bijlage B Logboek te zien). Ik had zelf liever wat meer contact gehad, ook met onze begeleidster. Doordat we voor het grootste gedeelte apart hebben gewerkt, wist ik ook niet altijd even goed wat Lucy aan het uitwerken was of hoe ver ze was met haar deel. Dit vond ik wat minder prettig, omdat ik het fijn vind om precies te weten hoe we ervoor staan. Wel hadden we afgesproken om alles wat we hadden qua documenten en bronnen op OneDrive met elkaar te delen. Verder hebben we elkaars stukken kritisch bekeken en verbeterd. Vanwege het gekozen onderwerp moest er snel contact gezocht worden met externe instanties. Dit is dan ook een van de eerste dingen die we gedaan hebben. Ik vond dit erg fijn, want hierdoor kreeg ons profielwerkstuk wat meer vorm. Professor Joost Reek reageerde al snel en stelde voor om een dagje op bezoek te komen en in het laboratorium uitleg te krijgen. Deze dag vond ik erg leuk en leerzaam. Iedereen die we daar ontmoet hadden, was heel vriendelijk en ze waren allen erg bereid om ons mee te laten kijken en uitleg te geven. Ons onderwerp en de precieze opzet van ons profielwerkstuk waren in het begin nog erg onduidelijk. Hierdoor was het moeilijk een tijdsplanning te maken, we hadden namelijk nog geen duidelijk idee van wat we gingen doen. Dit is ook een van de oorzaken dat we het grootste gedeelte van het profielwerkstuk in de laatste twee maanden hebben geschreven. Een andere oorzaak is het late praktijkonderzoek. We zijn vrij laat begonnen aan het plannen en uitvoeren van het proefje. Het eerste proefje was mislukt, waardoor we een beetje in de knoop kwamen met de tijd. Gelukkig hebben we, met behulp van de TOA’s, nog op tijd een ander proefje kunnen uitvoeren. Een volgende keer zou ik dus wat eerder beginnen met het praktijkonderzoek. Ook zou ik zo snel mogelijk beginnen met het uitwerken van de deelvragen. Ik denk dat ik dit laatste een beetje heb laten liggen totdat ik echt moest beginnen. 40 Evaluatie Ik had van te voren verwacht dat het profielwerkstuk veel tijd en moeite zou kosten. Ik had natuurlijk bij mijn zus al gezien hoe het schrijven ervan in zijn werk ging. Ik vond het onderwerp dat we hadden gekozen erg interessant, dus ik had wel zin om aan het profielwerkstuk te werken. Ik had ook verwacht dat het lastig zou gaan worden, al helemaal toen we hadden besloten om kunstmatige fotosynthese als onderwerp te kiezen. Eigenlijk zijn al mijn verwachtingen wel uitgekomen. Door vrij laat te zijn begonnen aan zowel het praktijkonderzoek als het literatuuronderzoek (met name het uitschrijven van de hoofdstukken) hebben we het onszelf, naar mijn mening, wat moeilijker gemaakt dan nodig was. In zijn geheel vond ik het erg interessant en een goede (leer)ervaring. 41 Afkortingenlijst Afkortingenlijst FTO Fluorine doped Tin Oxide ITO Indium Titaan Oxide MIT Massachusetts Institute of Technology MOF metal-organic framework NWO Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek PEC foto-elektrochemische cel (photo-electrochemical cell) PSI fotosysteem I (photo system I) PSII fotosysteem II (photo system II) SFE solar-energy to fuel-energy conversion efficiency TCO Transparent Conductive Oxide UvA Universiteit van Amsterdam 42 Verantwoording Verantwoording Internetbronnen Bergkamp, B. (2011). Fotosynthese op celniveau. Laatste raadpleging: 7 februari 2016, http://wetenschap.infonu.nl/anatomie/75453-fotosynthese-op-celniveau.html Chandler, D. L. (30 september 2011). Artificial leaf’ makes fuel from sunlight. Laatste raadpleging: 16 februari 2016, http://news.mit.edu/2011/artificial-leaf-0930 DigInfo TV (24 januari 2013). Artificial Photosynthesis System as efficient as plants and can reduce CO2 levels. Laatste raadpleging: 20 februari 2016, http://www.diginfo.tv/v/12-0223-r-en.php Green Car Congress (30 september 2011). Researchers from MIT and Sun Catalytix develop an artificial leaf for solar water splitting to produce hydrogen and oxygen. Laatste raadpleging: 17 februari 2016, http://www.greencarcongress.com/2011/09/researchers-from-mit-and-sun-catalytixdevelop-on-artificial-leaf-for-solar-water-splitting-to-produce-hydrogen-andoxygen.html ManSolar (2016). Het werkingsprincipe van de kleurstof zonnecel. Laatste raadpleging: 10 februari 2016, http://www.mansolar.nl/technology?___store=nederlands&___from_store=default Monash University (17 augustus 2015). Monash research sets new record for generation of fuels from sunlight. Laatste raadpleging: 22 februari 2016, http://monashsciencenews.blogspot.nl/2015/08/monash-research-sets-new-recordfor.html Panasonic Headquarters News (30 juli 2012). Panasonic Develops Highly Efficient Artificial Photosynthesis System Generating Organic Materials from Carbon Dioxide and Water. Laatste raadpleging: 22 februari 2016, http://news.panasonic.com/press/news/official.data/data.dir/2012/07/en1207305/en120730-5.html 43 Verantwoording Wetenschappelijke artikelen Bonke, S. A. & Wiechen, M. & MacFarlane, D. R. & Spiccia, L. (11 augustus 2015) ‘Renewable fuels from concentrated solar power: towards practical artificial photosynthesis’. Energy Environ Sci.,2015, 8, 2791. Laatste raadpleging: 20 februari 2016, http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/ee/c5ee02214b#!divAbstract Cox, C. R. & Lee, J. Z. & Nocera, D. G. & Buonassisi, T. (15 september 2014). ‘Tenpercent solar-to-fuel conversion with nonprecious materials’. Chemistry. Laatste raadpleging: 22 februari 2016, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4191778/ O'Regan, B. & Grätzel, M. (24 oktober 1991). ‘A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films’. Nature 353, 737-740. Laatste raadpleging: 10 februari 2016, http://www.nature.com/nature/journal/v353/n6346/pdf/353737a0.pdf Reece, S. Y. & Hamel, J. A. & Sung, K. & Jarvi, T. D. & Esswein, A. J. & Pijpers, J. J. H. & Nocera, D. G. (29 september 2011). ‘Wireless Solar Water Splitting Using Silicon-Based Semiconductors and Earth-Abundant Catalysts’. Science. Laatste raadpleging: 22 februari 2016, http://science.sciencemag.org/content/early/2011/09/28/science.1209816 Boeken Beurkens, Simone M. J. H. (z.d.). ‘Het systeem aarde. Biosfeer; fotosynthese in de koolstofcyclus’. PUC of Science (Radboud Universiteit): Een Machtig Avontuur, module 8. Nijmegen: Radboud Universiteit Bos, A. & Gommers, M. & Jansen, A. & Kalverda, O. & Rouw, T. de, & Smits, G. & Waas, B. & Westra, R. (2012). 5a vwo biologie voor jou leeropdrachtenboek: §1.4 Koolstofassimilatie. ’s-Hertogenbosch: Malmberg. Bouwens, R.E.A. & Groot, P.A.M. de, & Kranendonk, W. & Lune, J.P. van, & Propv.d.Berg, C.M. & Riswick, J.A.M.H. van, & Westra, J.J. (2013). BINAS. Groningen/Houten: Noordhoff Uitgevers bv. 44 Verantwoording Man Solar B.V., 6e volledig herziene en uitgebreide druk (juli 2015). Man Solar Artikel No 3000, 2000, 1000. Purchase, R. & Vriend, H. de, & Groot, H. de, (2015). Kunstmatige fotosynthese: Voor de omzetting van zonlicht naar brandstof. Wageningen: Propress Video’s DigInfo TV (23 januari 2013). Artificial Photosynthesis System as efficient as plants and can reduce CO2 levels #DigInfo. Laatste raadpleging: 22 februari 2016, https://www.youtube.com/watch?v=q2lPQWL3o0U Illustraties ManSolar (2016). Het werkingsprincipe van de kleurstof zonnecel. Laatste raadpleging: 10 februari 2016, http://www.mansolar.nl/technology?___store=nederlands&___from_store=default Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings. Laatste raadpleging: 22 februari 2016, http://bioserv.fiu.edu/~walterm/GenBio2004/chapter8_photosynthesis/photosynthetic _process_download.htm The Future of Things. Improved way for creating hydrogen developed. Laatste raadpleging: 23 februari 2016, http://thefutureofthings.com/3715-improved-way-forcreating-hydrogen-developed/ Yourbsix, Porfyrine. Laatste raadpleging: 23 februari 2016, http://www.yourbsix.nl/overige-voedingsstoffen/ Overige bronnen Experimenten Universiteit van Amsterdam. Het bouwen van een Grätzel cel (uitgevoerd op 25 november 2015) onder leiding van dhr. dr. Rene M. Williams. 45 Verantwoording Laboratorium bezoek Universiteit van Amsterdam, Laboratorium van prof. Joost Reek. Onderzoeksgroep die werkt aan kunstmatige fotosynthese als onderdeel van de groep BioSolar Cells (bezocht op woensdag 25 november 2015). Bekeken: onderdelen in het laboratorium waaraan Remco Detz, René Becker, Simon Mathew werken. 46 Bijlagen Bijlagen A. Plan van aanpak B. Logboek C. Verslag Bezoek BioSolar Cells D. t-toetsen 47 Bijlagen A. Plan van aanpak Lucy Y. Tao en Jin Z. Smeding Kunstmatige fotosynthese Scheikunde, natuurkunde, biologie Sonja Schoenmakers (SCO) prof. dr. Joost N. H. Reek (BioSolar Cells), UvA Onderzoeksvraag Hoe maakt BioSolar Cells brandstof door middel van chemische reacties op basis van natuurlijke fotosynthese en hoe verschilt dit proces van natuurlijke fotosynthese? Deelvragen » » » Hoe werkt natuurlijke fotosynthese? o Wat is natuurlijke fotosynthese? o Hoe werkt de lichtreactie? o Hoe werkt de donkerreactie? Hoe gaat BioSolar Cells om met kunstmatige fotosynthese? o Wat is kunstmatige fotosynthese? o Wie is BioSolar Cells en wat doen ze precies? o Welke reacties vinden in hun systeem plaats? Wat is het verschil tussen natuurlijke fotosynthese en kunstmatige fotosynthese van BioSolar Cells? » Praktijkonderzoek: hoe staat de geleiding van de elektronen in een Grätzel cel onder invloed van verschillende kleuren licht (paars, blauw, groen, geel en rood licht)? » Hoe gaan MIT, Panasonic en Monash University om met kunstmatige fotosynthese? Hypothese/verwachtingen - Werkwijze/methode Wij gaan onderzoek doen met behulp van internet, boeken en wetenschappelijke artikelen om te kijken wat de nieuwste ontwikkelingen zijn op gebied van kunstmatige fotosynthese. Daarnaast proberen we contact op te nemen met de UvA en hopen we van hen informatie te kunnen krijgen. Ook gaan we een bezoek brengen aan 48 Bijlagen BioSolar Cells op de UvA om hun onderzoek te bekijken en te bestuderen. We willen graag begrijpen hoe de onderzoekers van BioSolar Cells hun onderzoek hebben uitgevoerd. Verder zouden we graag een praktijkonderzoek doen dat aansluit op hun onderzoek. We willen Informatiebronnen/hulpmiddelen Internetwebsites, wetenschappelijke artikelen van voorgaande onderzoeken en boeken. Ook de informatie die bij het bezoek aan BioSolar Cells op 25 november 2015 is opgedaan zal worden gebruikt. Presentatievorm verslag Schriftelijk verslag Presentatievorm presentatieavond PowerPoint presentatie met foto’s of afbeeldingen met mondelinge toelichting. Taakverdeling De deelvragen, het verwerken van resultaten van onderzoeken, het schrijven van het profielwerkstuk zelf en het maken van de presentatie gaan we apart uitwerken en doen. Deze onderdelen verdelen we onderling en we zullen ze tussendoor met elkaar bespreken. De proefjes en het contact met externe instanties willen we zo veel mogelijk samen doen. - Lucy: hoofdstuk 1, 2 (behalve 2.1), bijlage C Verslag bezoek BioSolar Cells, conclusie, evaluatie - Jin: hoofdstuk 2.1, 3, 4, voorwoord, inleiding, discussie, bijlage D T-toetsen, evaluatie, lay-out Tijdplan Activiteit Hoe lang Wanneer? Wie? (maand, weeknummer, dagdeel) Plan van aanpak inleveren - 22 september 2015 Lucy, Jin Externe instanties e-mailen 30 min Weekend van week Lucy, Jin 39 (evt. apart) 49 Bijlagen Wetenschappelijk artikel (uit Nature van de Week 39 (voor het Lucy, Jin RUG) bestuderen (en vragen erbij contacteren van (apart) bedenken) externe instanties) (Meer) informatie over beide onderzoeken 4 uur 4 uur Week 39 (van de RUG en van BioSolar Cells) Lucy, Jin (apart) opzoeken en verwerken Verdeling deelvragen (afhankelijk van advies 30 min Week 40 Lucy, Jin PWS-begeleider en externe instanties) Workshop onderzoeksvaardigheden 3 1/3 uur Mixweek 1 (week 47) Lucy, Jin Uitwerken deelvragen (conceptversie 30 uur Vanaf week 40 tot Lucy, Jin inleveren eindversie (apart) schrijven) Bezoek UvA/BioSolar Cells 8 uur 25 november 2015 Lucy, Jin Concept versie inleveren - 1 december 2015 Lucy, Jin Feedback concept versie ontvangen en 30 uur December, januari, Lucy, Jin begin februari (evt. apart) Januari, februari Lucy, Jin verwerken (tot eindversie)/eindversie schrijven Analyseren en verwerken van resultaten 2 uur (valt binnen onderzoek van BioSolar Cells (ter hoofdstuk 2/3) (evt. apart) voorbereiding en vergelijking van eigen proefjes) Werkwijze eigen proefjes opstellen 3 uur (valt binnen Voor 18 januari 2016 hoofdstuk 4) Lucy, Jin (evt. apart) Eigen proefje doen (variabele: temperatuur) 2 uur 18 januari 2016 Lucy, Jin Eigen proefje doen (variabele: temperatuur) 2 uur 3 februari 2016 Lucy, Jin Eigen proefje doen (variabele: kleur licht) 1,5 uur 18 februari 2016 Lucy, Jin Gegevens en resultaten van eigen proefjes 8 uur Vanaf 18 januari Lucy, Jin 2016 (evt. apart) Februari Lucy, Jin analyseren en verwerken Vergelijken van onderzoeksresultaten (van 4 uur (valt binnen eigen onderzoek en onderzoek van de hoofdstuk universiteit) 3/Discussie) Eind versie inleveren - 23 februari Lucy, Jin Workshop presenteren 2 uur en 40 3 maart 2016 Lucy, Jin (evt. apart) minuten 50 Bijlagen Presentatie maken Presentatie 15 uur - Eind februari, begin- Lucy, Jin midden maart (evt. apart) 17 maart Lucy, Jin 51 Bijlagen B. Logboek Lucy Y. Tao en Jin Z. Smeding Kunstmatige fotosynthese Scheikunde, natuurkunde, biologie Sonja Schoenmakers (SCO) prof. dr. Joost N. H. Reek (BioSolar Cells), UvA Datum Tijd Jin Tijd Lucy Plaats* Activiteit eind 5v Best wel Best wel Bij Lucy Overleg onderwerp lang lang thuis 1 uur 1 uur School 13-52015 1 uur 2015 Bij Lucy 2 uur 2015 6-9- 1,5 uur 2015 3 uur nuttige websites op WhatsApp Bij Lucy Internet: informatie websites thuis verwerken Bij Lucy Internet: informatie websites thuis verwerken Bij Jin thuis Artikelen/websites lezen en 2015 samenvatten 1,5 uur Bij Jin thuis Artikelen/websites lezen en 2015 samenvatten 13-9- 1 uur 2015 14-9- Research op internet thuis 4-9- 13-9- Bespreking mogelijkheden onderwerp met SCO 30-8- 6-9- Opmerkingen/afspraken 1,5 uur 1,5 uur 2015 Bij Lucy Internet: extra informatie thuis websites verwerken VWO Informatie uitwisselen, klad mediatheek deelvragen formuleren Nog door te hakken knopen na gesprek met SCO 16-9- 30 30 2015 minuten minuten Op school Bespreken plan van aanpak Aantal zaken (o.a. met SCO hoofdvraag, werkwijze) afhankelijk van het contact met de externe instantie (UvA of RUG) 52 Bijlagen 17-9- 1 uur 1 uur 2015 18-9- 2 uur 26-9- 2 uur 3 uur 2015 1 uur Thuis (via Invullen formulier 'Plan van Document gemaild naar skype) aanpak' SCO voor feedback Bij Lucy Wetenschappelijk artikel van thuis de RUG uit Nature bestuderen Bij Jin thuis Wetenschappelijk artikel van 2015 28-9- Formuleren hoofdvraag, mediatheek deelvragen 2015 27-9- HAVO de RUG uit Nature bestuderen 1 uur 1 uur Op school 2015 Wetenschappelijk artikel van SCO gemaild de RUG uit Nature bestuderen en e-mail externe instanties opstellen 2-10- 1 uur 1 uur Op school 2015 Informatie RUG bestuderen en informatie over onderzoek UvA opzoeken 4-10- 1 uur 2015 12-10- 1,5 uur 1,5 uur Bij Lucy Opstellen e-mail aan prof. Dr. Opgeslagen in gedeelde thuis Joost Reek (van UvA) map in OneDrive Op school Mailtjes naar externe instanties 2015 verbeterd en verstuurd en deelvragen verdeeld. Artikelen gerelateerd aan artikel van RUG gezocht/gevonden 23-10- 15 min 15 min Op school 2015 27-10- Reactie mail (van UvA) schrijven en versturen. 1,5 uur 1,5 uur Bij Jin thuis Telefonisch gesprek Joost 2015 Het is mogelijk om een Reek (UvA), mailtje sturen keer bij UvA op bezoek te SCO en BEQ, info opzoeken gaan en een artificial leaf op internet over onderzoek van volgens hun principes te UvA (n.a.v. telefoongesprek) bouwen (of om er een zo ver mogelijk te bouwen als mogelijk is in een dag) 4-112015 30 min 30 min Op school Gesprekje met SCO over telefoongesprek met Joost 53 Bijlagen Reek en bezoek aan UvA. Mailtje aan/gesprek met meneer Plantaz (datum vragen bezoek aan UvA) 4-11- 2,5 uur 2015 Bij Lucy Opstellen e-mail aan prof. Opgestelde e-mail thuis Joost Reek voor een afspraak opgestuurd naar Jin zodat (hopelijk donderdag 19 nov) en ze evt dingen toe kan voorbereidingsmateriaal. voegen. Doorgestuurd artikel van Jin gelezen over kunstmatige fotosynthese door Panasonic. Opzet (conceptversie) profielwerkstuk gemaakt en gewerkt aan eigen deelvraag (natuurlijke fotosynthese). 4-11- 30 min 30 min Bij Jin thuis E-mail contact met prof. Joost 2015 en op Reek; e-mails opstellen en t/m 11- school verzenden Bij Lucy Doornemen boekje PUC thuis module 8 over lichtreactie (met op papier, deze dienen 11-2015 17-11- 30 min 2015 17-11- 1,5 uur 2015 Aantekeningen gemaakt name antennesystemen) digitaal uitgewerkt te natuurlijke fotosynthese worden Radboud Doornemen boekje Dient digitaal uitgewerkt te Universiteit "kunstmatige fotosynthese" (op worden Huygensge aanraden van prof. Reek), bouw maar paragraaf 5 overgeslagen (bijdrage van zonnebrandstoffen aan onze toekomstige energievoorziening. Aantekeningen erbij gemaakt. 18-112015 3 1/3 uur 3 1/3 uur Op school Lezingen/workshops PWS PWS-dag op school dag: inleiding, Engelstalige 54 Bijlagen bronnen, wetenschappelijke paper schrijven. Lucy: randvoorwaarden wetenschap Jin: statistiek 18-11- 3,5 uur 3,5 uur Op school 2015 Werken aan conceptversie: PWS-dag op school structuur (met deelvragen). Email aan SCO. Bespreken boekje 'Kunstmatige fotosynthese' 22/24- 1,5 uur 11-2015 Bij Jin Boekje 'Kunstmatige thuis/op fotosynthese' bestuderen school 25-11- 8 uur 8 uur UvA 2015 27-11- Bezoek aan BioSolar Cells (UvA) 4,5 uur Bij Jin thuis Werken aan conceptversie en 2015 logboek bijwerken, lay-out en inhoud 28-11- 4 uur 2015 Bij Lucy Terugkijken RTL-Z over UvA Thuis (http://www.rtlxl.nl/#!/toekomst makers-302504/fb60356e0233-3b8a-950d56301c7fa09f) op aanraden van hoogleraar na bezoek UvA, uitbreiden conceptversie: eigen onderzoek. Verder werken aan deel over lichtreactie (in planten) 30-11- 2 uur 2015 2 uur Op school Werken aan conceptversie: onderzoeksvraag formuleren, bronvermelding verbeteren 30-112015 3,5 uur Bij Jin thuis Werken aan conceptversie: opmaak verbeteren (inhoudsopgave, koptekst), 55 Bijlagen bronnen toevoegen/verbeteren, bijlage 'plan van aanpak' en 'verwerking bezoek UvA' toevoegen en aanpassen aan opmaak, spelling-/grammatica controle 1-12- 2,5 uur Op school 2015 Werken aan conceptversie: Conceptversie printen en kopjes bijwerken/toevoegen, inleveren (digitaal en op bijlage 'logboek' toevoegen en papier) bijwerken, laatste spelling/grammatica controle 16-12- 1 uur 1 uur Op school 2015 Commentaar op conceptversie bestuderen en conceptversie bijwerken (plan van aanpak, logboek en praktijkonderzoek) 17-12- 1 uur en 1 uur en Bij Lucy Afspraken maken: Jin 2015 15 min 15 min thuis en bij hoofdstuk 4 en plan van Jin thuis aanpak voor praktijkonderzoek af; Lucy hoofdstuk 1 en verslag bezoek UvA af. Verdeling hoofdstukken gemaakt (zie apart bestand). Overleg over praktijkonderzoek en verslag bezoek UvA. 30-12- 2,5 uur Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 3 en 4 2015 30-12- 2 uur 2015 31-12- 2016 Werken aan hoofdstuk 1 thuis 1 uur 2015 3-1- Bij Lucy 1 uur Bij Lucy Theorie lichtabsorptie thuis bestuderen (hoofdstuk 1) Bij Lucy Werken aan hoofdstuk 1 thuis 56 Bijlagen 15-1- 30 min Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 3 30 min Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 3, 2016 16-12016 logboek bijwerken en plan van aanpak bijwerken 18-1- 2 uur 2 uur Op school 2016 Proefje deel 1 (Grätzel cel afspraak woensdag 3 gereed maken) februari 2016 proefje deel 2 doen 3-2- 2 uur 2 uur Op school 2016 Proefje deel 2 (Grätzel cel gereed maken en stroomgeleiding bij verschillende temperaturen meten) 7-2- 1 uur 2016 Bij Lucy Uitwerken globaal cyclische thuis fotofosforylering natuurlijke fotosynthese (h.1) 10-2- 4,5 uur Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 3, 2016 logboek bijwerken 11-2- 2 uur 2016 Bij Lucy Energie elektronen lichtreactie thuis en niet cyclische fotofosforylering (h.1) 12-2- 1 uur Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 4 2016 (inleiding + 4.1 MIT) 12-2- 1 uur 2016 Bij Lucy Elektronentransportketen thuis lichtreactie in detail (h.1) Informatie Amsterdam ordenen 13-2- 40 Bij Lucy 2016 minuten thuis 14-2- 2 uur Bij Lucy Werking antennesystemen thuis globaal (hoofdstuk 1) 2016 15-22016 2 uur Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 3 (3.4 hypothese en 3.2 intermezzo: de Grätzel cel) 57 Bijlagen 16-2- 1 uur Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 4 (4.1 2016 17-2- MIT) 3,5 uur Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 4 (4.1 2016 MIT en 4.2 Panasonic Corporation) en hoofdstuk 3 (o.a. opmaak) en bijwerken plan van aanpak (tijdsplan) 18-2- 40 40 Op school Proefje 2 doen (variabele kleur 2016 minuten minuten (lokaal licht) A103) 18-2- 1 uur Op school 2016 (werken aan hoofdstuk 3) 19-2- 3 uur 2016 20-2- Verwerken gegevens proefje Bij Lucy Hoofdstuk 1 en 2 thuis 2 uur Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 4 (4.2 2016 Panasonic Corporation) en hoofdstuk 3 (statistiek, 3.5 en 3.6) 20-2- 4 uur 4 uur 2016 Bij Lucy Bespreken uitgewerkte delen, thuis apart verder werken aan eindversie 21-2- 8 uur Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 3 (en 2016 een beetje aan hoofdstuk 4) 21-2- 5 uur 2016 22-2- 2 uur 2016 22-2- 4,5 uur Bij Lucy Werken aan Bijlage C Verslag thuis bezoek BioSolar Cells Bij Lucy Werken aan Bijlage C Verslag thuis bezoek BioSolar Cells Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 3, 2016 hoofdstuk 4, inleiding en eindversie bijwerken 22-22016 5 uur 5 uur Bij Jin thuis Werken aan eindversie (apart) Voorwoord, hoofdstuk 4, 2.1, 58 Bijlagen bijwerken eindversie (Jin) Hoofdstuk 2, bijlage C Verslag bezoek BioSolar Cells (Lucy) 22-2- 5,5 uur 2016 Bij Lucy Verslag Amsterdam afmaken thuis Hoofdstuk 2 (inleiding, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) Lezen en van commentaar voorzien: voorwoord, hoofdstuk 3 en hoofdstuk 4 23-2- 2 uur Op school 2016 Evaluatie, Commentaar op inleiding, Conclusie, Tekeningen /figuren 23-2- 3 uur Op school 2016 23-2- Eindversie bijwerken, Discussie en evaluatie 4 uur Bij Jin thuis Eindversie bijwerken, printen, 2016 inbinden en inleveren Totaal tijdsbesteding Jin: 98 uur en 30 minuten Totaal tijdsbesteding Lucy: 91 uur en 10 minuten * Bij Lucy thuis Godfried Bomansstraat 26 6543 JA Nijmegen Bij Jin thuis Anna Blamanlaan 8 6532 SP Nijmegen Op school Dominicus College Energieweg 93 6541 CZ Nijmegen 59 Bijlagen UvA Science Park 904 1098 XH Amsterdam Radboud Universiteit Huygensgebouw Heyendaalseweg 135 6525 AJ Nijmegen 60 Bijlagen C. Verslag Bezoek BioSolar Cells Op 25 november 2015 hebben wij (Jin en Lucy) het laberatorium van prof. dr. Joost N. H. Reek van de Universiteit van Amsterdam29. Het maken van foto’s is goedgekeurd door de professor en zijn desbetreffende collega’s. Prof. dr. Joost N. H. Reek We begonnen de dag in het kantoor van professor Joost Reek, waar hij ons een inleiding gaf over waar zijn onderzoeksgroep mee bezig is: het ontwikkelen van een kunstmatig blad om kunstmatige fotosynthese op gang te brengen. Het kunstmatige blad bestaat uit twee componenten. Het eerste component zorgt voor de drijvende kracht die nodig is om elektronen (van water) los te maken uit de gebonden toestand. Hiervoor wordt chromofoor gebruikt: chromofoor absorbeert licht(energie), wat gebruikt wordt om de elektronen energierijk en dus ook los te maken (elektronen komen in een hoger energieniveau). Het chromofoor zit via een katalysator vast aan TiO2, wat functioneert als halfgeleider. De katalysator die het splitsen van water katalyseert moet dus snel werken onder een geschikt potentiaal. Problemen hierbij zijn: - De koppeling tussen het chromofoor en de katalysator. Noodzakelijk om lichtenergie over te brengen naar het water. - Het terugvallen van het elektron: als het elektron niet genoeg energie bevat om de titaandioxide te bereiken valt het elektron terug. Netto vindt er dan geen reactie plaats. In de natuur wordt de katalysator hydrogenase gebruikt, dat onder andere bestaat uit ijzer-atomen (Fe). Op de UvA wordt geëxperimenteerd met andere katalysatorcomplexen, die in plaats van ijzer iridium (Ir) of nikkel (Ni) bevatten. Dit is omdat organisch materiaal het ijzer in de katalysator beïnvloedt en deze invloed er bij kunstmatige fotosynthese niet is. Verder heeft fotosynthese in de natuur een laag rendement. 29 Science Park 904, Amsterdam, Nederland 61 Bijlagen Aandachtspunten katalysator: - Overlappende orbitalen door bindingen. Orbitalen geven de kans aan waar een elektron zich kan bevinden. Dit is belangrijk, want een elektron moet zich in deze reactie wel goed kunnen verplaatsen. - Stabiliteit van de katalysator. - Het ligand (in dit geval fosfaat), dat de katalysator bindt aan het chromofoor. Deze binding heeft invloed op de werking van de katalysator met betrekking tot duurzaamheid en geleiding. Dhr. dr. Remko J. Detz Na de inleiding van prof. dr. Joost Reek gingen we het laboratorium in. Hier werden we begeleid door Remko Detz. We begonnen bij het binden van de kleurstof aan een glasplaatje. Dit vormt het licht vangende component van het kunstmatige blad. Dit deel functioneert als en elektrode in de totale reactie. Op het glasplaatje zit aan één kant FTO, wat dat deel van het plaatje geleidend maakt. Op het plaatje aan de kant van de FTO zit een blauwachtige katalysator gebonden. Het glas met de FTO en de katalysator wordt FTO-glass genoemd. Aan deze katalysator worden de kleurstof-moleculen gebonden. In de afbeelding zijn reageerbuizen te zien met een oranje vloeistof. Deze vloeistof was een oplossing van de moleculen porfyrine en platina (Pt), die samen een chromofoor vormen (Figuur 11).30 Figuur 10 Opstelling onderzoek van dhr. Dr. Remko Detz. 30 foto gemaakt door Jin Smeding tijdens bezoek aan BioSolar Cells op de UvA 62 30 Bijlagen Figuur 11 Structuurformule van platina gebonden in het 31 midden van een porfytinemolecuul. 31 Het binden van de kleurstofmoleculen aan het plaatje gaat vanzelf: na een tijd in de reageerbuis binden de kleurstofmoleculen aan de katalysator. In figuur 10 zijn een aantal reageerbuizen te zien. Na een half uur worden de plaatjes uit de reageerbuizen gehaald en nagespoeld met methanol, waarna alleen de aangehechte moleculen aan het plaatje blijven zitten. Na het droogblazen kan het plaatje gebruikt worden om metingen te doen. Om te meten wordt de elektrode verbonden aan een draadje. Dit gebeurt door een beetje oranje kleurstof van het plaatje af te krabben, waarbij glinsterend oranje poeder los komt en een draadje op het plaatje te bevestigen met behulp van aluminiumfolie en plakband, opdat er gemeten wordt per 1 cm2 waar direct mee gerekend kan worden. 31 getekend door Lucy Tao op 23 februari 2016, naar voorbeeld beschrijving van Remko Detz op UvA 63 Bijlagen De meetopstelling bestaat uit twee reageerbuizen: de ene reageerbuis bevat het net gemaakte plaatje, de andere reageerbuis bevat een referentie-elektrode. Beide plaatjes in de reageerbuizen zitten in een fosfaat-bevattende vloeistof. Fosfaat functioneert als buffer (pH=7). Dit is nodig, want bij het splitsen van water komt behalve O2 ook H+ vrij. Tegen deze twee reageerbuizen wordt een lamp (LCS-100) gehouden die dezelfde golflengten bevat als zonlicht. Uiteraard werd de rest van de omgeving van de reageerbuizen verduisterd. De wens is om een zo hoog mogelijke photocurrent (stroom ten gevolge van licht) te meten. Er wordt nog geëxperimenteerd met verschillende voltages (lichtbron). De gegevens (stroom en spanning) worden gemeten en direct verwerkt met GPES-Manager (een computerprogramma). Een aantal gegevens: - Bij een minimum van 0,6V is het thermodynamisch mogelijk om H2O te oxideren. In de praktijk (aan de Universiteit van Amsterdam) is de minimum spanning 1,23V nodig voor het splitsen van water. - Bij standaardvoltage kunnen er twee dingen gebeuren bij de meetresultaten - Curve van de grafiek in GPES-Manager gaat naar beneden, wat indiceert dat er een reductie in plaats van een oxidatiereactie plaatsvindt. Curve van de grafiek in GPES-Manager gaat omhoog naar 3µA. Er wordt geprobeerd een minimaal 10mA bij 0,4V te meten De katalysator gaat snel kapot; hier wordt nog onderzoek aan gedaan. Ideaal zou zijn als er één molecuul kon worden ontwikkeld met ankergroep, chromofoor en katalysator in één (Figuur 12). 32 32 Figuur 122 Samenstelling ideaal molecuul. 32 getekend door Lucy Tao op 23 februari 2016, naar voorbeeld tekening Remko Detz tijdens bezoek UvA 64 Bijlagen Dhr. René Becker René Becker specialiseert zich in de antennesystemen. De antennesystemen bestaan uit een aantal onderdelen. De onderdelen waar dhr. Becker onderzoek naar doet zijn: - Porfyrines - Metalen - Katalysator voor de halfreactie 2 π» + + 2 π − → π»2 Een metal-organic framework (MOF) bestaat uit een porfyrine en een metaal. Een porfyrine bestaat uit vier pyrroolringen (met restgroepen) die cyclisch aan elkaar zijn gekoppeld met de stikstof-groepen naar de binnenkant gericht. Als de –NH groepen het H-atoom verliezen, kunnen de stikstof-atomen aan een gezamenlijk metaalion binden in de centrale holte. Door zowel de porfyrines als metalen te variëren kunnen er veel verschillende MOFstructuren gemaakt worden. De MOFs zijn geïnspireerd uit de natuur: ook bij natuurlijke fotosynthese komen MOFs voor. Zo heeft chlorofyl een magnesium-ion gebonden in het centrum van de porfyrine. 33 Figuur 133 Opbouw porfyrine. 33 Yourbsix, Porfyrine. Laatste raadpleging: 23 februari 2016, http://www.yourbsix.nl/overige- voedingsstoffen/ 65 33 Bijlagen Figuur 144 Structuurformule van TCPP: tetrakis(4-carboxyphenyl)porphyrin. 34 Op het moment van ons bezoek deed dhr. Becker onderzoek naar het metaal zirkonium (Zr), wat een stabiele binding aan ging in de porfyrine. Om de MOF met Zr te maken, maakte dhr. Becker een oplossing van ZrCl4, porfyrines (in dit geval TCPP: tetrakis(4-carboxyphenyl)porphyrin en hulpstoffen. Dit mengsel stopte hij in de oven. Bij de verhitting vormden de moleculen netwerken en verdween het oplosmiddel. Het resultaat wat uit de oven kwam was een donker roodbruin poeder die onder vacuümomstandigheden kristalleren, waarna ze kunnen binden met katalysatoren en zo antennesystemen vormen. De katalysator die UvA gebruikt om H2 te maken is niet gebaseerd op de katalysator de planten gebruiken, maar op een katalysator afkomstig van een bacterie die waterstofgas, in plaats van glucose zoals planten, produceert. Dhr. Becker beschreef de vorm de actieve centrum van deze katalysator als een vlindersysteem bestaande uit twee ijzeratomen aan de onderkant en twee zwavelatomen aan de bovenkant. De zwavelatomen zijn gebonden aan –NH, wat de intermoleculaire brug vormt met de porfyrines. De cyanide-groepen (-CN) aan de onderkant van het molecuul zijn giftig voor de mens, vandaar dat er wordt gewerkt aan een andere katalysator zonder deze groepen (bijvoorbeeld de cyaniden vervangen door carbonylen. Hiervan zijn echter nog geen resultaten). Op dit moment werkt UvA met een katalysator dat bestaat uit een ijzer-zwavel cluster met daar omheen benzeenringen. 34 34 foto gemaakt door Jin Smeding tijdens bezoek aan BioSolar Cells op de UvA 66 Bijlagen Figuur 15 De structuurformule van de basis van hydrogenase enzyme van de bacterie om H 2 te vormen. 35 De reactie die dhr. Becker in gang zet gaat als volgt: net als dhr. dr. Detz heeft hij een glasplaatje met aan één kant TCO, waaraan porfyrines in een laag zitten gebonden. Tussen deze porfyrines zijn ook de katalysatoren gebonden. De H+, die dhr. dr. Detz vrij heeft gemaakt, worden samen met de elektronen, die ook worden aangevoerd van de reactie van dhr. dr. Detz, reageren in deze halfreactie tot H2. 35 getekend door Lucy Tao op 22 februari 2016 op de website https://www.emolecules.com/, naar voorbeeld van een tekening van René Becker op 25 november 2015 te Amsterdam. 67 Bijlagen Schematisch ziet het proces er zo uit: Figuur 156 Schematische tekening van het vormen van waterstof. 36 Simon Mathews Simon Mathews is een Australische onderzoeker die zich in het onderzoek specialiseert in kleurstoffen. Er zijn enorm veel verschillende kleurstoffen met verschillende structuren, allemaal met hun eigen eigenschappen. De problemen waar op het moment tegenaan waren gelopen hadden te maken met de volgende eisen die de kleurstoffen moesten hebben om goed te functioneren in de kunstmatige fotosynthese: - Goed licht absorberen - Goed binden aan de katalysator - De elektronen moeten zich gemakkelijk van de kleurstof naar de katalysator kunnen verplaatsen - De elektronen moeten zich alleen in één richting verplaatsen De zaak is ingewikkelder dan een willekeurig ander kleurstofmolecuul maken vanwege de elektronendeficiëntie. Dit betekent dat er te weinig valentie-elektronen zijn voor perfecte edelgasconfiguratie (volledige bezetting van elektronen in de buitenste schil), waardoor de elektronen zich niet goed vrij kunnen bewegen voor de 36 getekend door Lucy Tao op 23 februari 2016, naar voorbeeld tekening René Becker UvA. 68 Bijlagen redoxreactie. Verder beïnvloeden de “donors” (de moleculen die elektronen afstaan; de reductor) de energieniveaus die nodig zijn en dus de energie die de kleurstofmoleculen moeten absorberen. Als dit niet gebeurt zullen de elektronen terugvallen in hun lage schil en dus geen vrije elektronen worden die kunnen reageren in de redoxreactie. Daarbij komt dat de elektronen zich in één richting moeten verplaatsen, oftewel, er is een asymmetrisch molecuul nodig (wat een stuk moeilijker is dan een symmetrisch kleurstofmolecuul maken). Weer een ander punt is dat de kleurstofmoleculen een interactie aangaan met TiO2. Deze interactie mag bovenstaand genoemde punten niet negatief beïnvloeden. Yuri Yuri is een masterstudent die zijn stage loopt bij de onderzoeksgroep van prof. dr. Joost Reek. Hij specialiseert zich hierbij in de ankers: dat zijn de groepen die intermoleculaire bindingen met elkaar aangaan. Het gaat hier met name over de binding van de binding tussen de kleurstofmoleculen en de TiO2. Het is namelijk zo dat de ankergroepen van de kleurstoffen na een tijd loslaten, waardoor geleiding niet meer mogelijk is. Een van de oorzaken zou de aanwezigheid van H+ kunnen zijn, die ondanks de buffer reageert met de ankergroepen van de kleurstoffen. De zuurgroep is namelijk een veel voorkomende ankergroep, maar die niet erg stabiel is. Een optie zou zijn om kleurstoffen te kiezen met PO3 groepen, die stabieler zijn in de binding maar slechter elektronen geleiden. Een theoretische oplossing hiervoor kunnen elektronen-geleidende koolstof-nanobuisjes zijn. Dit moet echter nog in de praktijk worden onderzocht. Dhr. Dr. Rene M. Williams Tenslotte hebben wij onder leiding van Rene Williams een Grätzel cel gebouwd. Dit gebeurde grotendeels op dezelfde manier als in 3.3.2 Het prepareren van de Grätzel cel beschreven staat. Alle benodigdheden waren voor ons in een lokaal klaargezet. Op een van de glasplaatjes met TCO zat echter al een laagje TiO2, dus dit hebben wij niet meer zelf hoeven te doen. Nadat de thee gezet was, werd het glasplaatje met TiO2 in het afgietsel van de thee geweekt. Op het andere glasplaatje met TCO werd met een potlood een laagje grafiet aangebracht. Toen beide glasplaatjes klaar waren werden deze op elkaar gelegd en werd er een druppel jodide (elektrolyt) tussen gedaan. Hierna werden de glasplaatjes met een klemmetje vastgeklemd en met twee kabeltjes verbonden aan een multimeter. Vervolgens heeft Rene Williams uitleg 69 Bijlagen gegeven over wat er zou gebeuren wanneer er licht op de cel wordt geschenen. Hij vertelde het groene licht het beste opgenomen wordt, omdat de gebruikte kleurstof een rode kleur heeft. Hierna is de Grätzel cel in het licht van een lamp gehouden en is de spanning en de stroom gemeten. Ook is de Grätzel cel naast een spiegel in het licht van een lamp gehouden en is opnieuw de spanning en stroom gemeten. Hieruit bleek dat de hoeveelheid spanning en stroom veel hoger waren wanneer er een spiegel naast het licht werd gehouden. 70 Bijlagen D. t-toetsen P-waarden onder 0,05 zijn geel gemarkeerd. 71 Bijlagen 72
