Controle over elektronspin maakt splitsing water efficiënter

Eén van de belangrijkste obstakels bij de productie van waterstof uit het splitsen van water is dat ook waterstofperoxide ontstaat, wat de reactie belemmert. Onderzoekers van de TU/e en het Weizmann Instituut in Israël lukte het om de spin van elektronen in de reactie te beïnvloeden en daarmee de productie van waterstofperoxide nagenoeg in zijn geheel te onderdrukken. Dat publiceren ze deze week in het vakblad Journal of the American Society. Een efficiënte waterstofproductie in bijvoorbeeld kleurstofzonnecellen komt daarmee een stap dichterbij.

Waterstof is de brandstof van de toekomst, maar de productie ervan is nog onvoldoende efficiënt. Eén van de productiemethoden is een foto-elektrochemische cel waarbij water onder invloed van licht wordt gesplitst in waterstof en zuurstof. Niet alleen is veel energie nodig om de reactie te laten verlopen, als bijproduct ontstaat waterstofperoxide dat één van de elektrodes aantast en daarmee de efficiëntie naar beneden haalt.

Elektronenspin

De onderzoekers onder leiding van hoogleraren Bert Meijer (TU/e) en Ron Naaman (Weizmann Instituut) waren de eersten die specifiek naar de rol van de spin – het interne magnetisch moment – van elektronen keken die betrokken zijn bij de oxidatiereactie, ofwel de vorming van zuurstof. Hun idee was dat als sprake was van gelijke spin de bijreactie tot de vorming van waterstofperoxide niet zou plaatsvinden. De grondtoestand van waterstofperoxide staat niet toe dat twee deeltjes met gelijke spin elkaar treffen. Bij het molecuul zuurstof, met een zogeheten triplet-grondtoestand, kan dat wel. 

Boven verwachting goed

Door de anode van titaniumoxide in hun foto-elektrochemische cel te bedekken met zogeheten chirale (moleculen die elkaars spiegelbeeld zijn) supramoleculaire structuren van organische verfstof, werden alleen elektronen met dezelfde spin in het proces geïnjecteerd. “Dit bleek boven verwachting goed te werken”, vertelt Naaman. “De vorming van waterstofperoxide werd nagenoeg in zijn geheel onderdrukt. Ook zagen we dat de stroom in de cel significant toenam. Omdat de natuur ook geheel uit chirale moleculen bestaat, verwachten we grote implicaties van de vinding.” 

Toevalstreffer

Hoeveel efficiënter de waterstofproductie hiermee kan gebeuren, kunnen de onderzoekers nog niet zeggen. “Ons doel was om controle te krijgen over de reactie en te begrijpen wat hier precies gebeurt”, zegt Meijer. “Dit was in zekere zin een toevalstreffer, want de verfstofmoleculen waren oorspronkelijk niet voor dit doel ontwikkeld. Dit toont het belang van supramoleculaire chemie als fundamenteel onderzoeksveld en we zijn druk doende om het proces te optimaliseren.” 

Referentie

W. Mtangi et al., Control of Electrons' Spin Eliminates Hydrogen Peroxide Formation During Water Splitting, Journal of the American Chemical Society (30 January 2017).
DOI: 10.1021/jacs.6b12971