Hybride nanomateriaal maakt waterstofperoxide met alleen zon, lucht en water

Waterstofperoxide is een onmisbare chemische stof: ziekenhuizen gebruiken het als ontsmettingsmiddel, de industrie zet het in om textiel en papier te bleken, en het speelt een rol bij tal van productieprocessen. Toch is de huidige manier van produceren energie-intensief en afhankelijk van complexe chemische fabrieken. Onderzoekers van het Argonne National Laboratory, een onderzoeksinstituut van het Amerikaanse ministerie van Energie, presenteren nu een alternatief: een hybride nanomateriaal dat fungeert als een soort nanoreactor en waterstofperoxide maakt met niets meer dan zonlicht, lucht en water.

Een laagje van tweehonderd nanometer

Het team, onder leiding van postdoctoraal onderzoeker Jinhyeong Jang, bouwde het materiaal met een techniek die nanoarchitectonica heet: het ontwerpen van functionele structuren met bouwstenen op nanoschaal, vaak geïnspireerd op de natuur. Het resultaat is een gelaagd nanoplaatje van ongeveer tweehonderd nanometer dik, zo'n vijfhonderd keer dunner dan een mensenhaar. De onderste laag bestaat uit bismutoxychloride, een synthetisch halfgeleidend materiaal. Daarbovenop plaatsten de onderzoekers stukjes purpermembraan, een lichtgevoelig biologisch materiaal dat van nature voorkomt bij zoutminnende micro-organismen, archaea genoemd.

Een biologisch zonnepaneel drijft de reactie

Zodra er licht op het materiaal valt, gedraagt het purpermembraan zich als een miniatuur zonnepaneel, vergelijkbaar met wat er gebeurt in een fotoelektrochemische cel. Het vangt de lichtenergie op en zet daarmee protonen en elektronen in beweging op het grensvlak met de bismutoxychloride-laag, via een protongekoppelde elektronoverdracht waarbij telkens twee elektronen en twee protonen tegelijk worden overgedragen. Die beweging stelt de halfgeleider in staat om zuurstof uit de lucht en water om te zetten in waterstofperoxide, via een zuurstofreductiereactie. Volgens de onderzoekers, gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society, produceerde de hybride combinatie van purpermembraan en bismutoxychloride ruim vijf keer zoveel waterstofperoxide als de halfgeleider in zijn eentje. Tegelijkertijd zette het materiaal ethyleenglycol, een veelgebruikte grondstof, om in andere waardevolle chemische stoffen.

Goedkope grondstoffen, mild proces

Wat het onderzoek volgens de wetenschappers extra interessant maakt, is dat het systeem werkt bij kamertemperatuur en gewone luchtdruk, met goedkope en op grote schaal beschikbare materialen. "Als we dezelfde reactie industrieel zouden uitvoeren, zou dat veel energie en complexere katalytische systemen vergen", zegt Elena Rozhkova, onderzoeker bij het Center for Nanoscale Materials van Argonne. "Onze aanpak laat zien hoe zorgvuldig ontworpen grensvlakken tussen nanomaterialen en biologische systemen chemische reacties onder milde omstandigheden kunnen sturen." Doordat het materiaal geen hoge temperaturen, hoge druk of zware metalen nodig heeft, zou het uiteindelijk een schoner en goedkoper alternatief kunnen bieden voor bestaande fabrieksprocessen voor waterstofperoxide.

Het onderzoek staat nog in een vroeg, experimenteel stadium. Voordat een dergelijk materiaal op industriële schaal kan worden ingezet, moet blijken of de opbrengst en levensduur van het biologische onderdeel voldoende zijn voor grootschalig gebruik. Toch laat de combinatie van synthetische halfgeleiders met natuurlijke, lichtgevoelige eiwitten zien dat de grens tussen biologie en materiaalkunde steeds verder vervaagt.