Chinese nanoreactor bootst cel na en maakt waterstofperoxide met zonlicht

Een team van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP), onderdeel van de Chinese Academy of Sciences, ontwikkelde samen met de Inner Mongolia University een nanodeeltje dat cellen nabootst om waterstofperoxide (H2O2) te produceren. Het onderzoek, geleid door professor Li Can, is gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society. Waterstofperoxide is een veelgebruikte chemische stof, onder meer als bleekmiddel en desinfectiemiddel, en de industrie zoekt al langer naar schonere manieren om het te maken dan de huidige energie-intensieve processen.

Cellen als blauwdruk

Levende cellen voeren ingewikkelde chemische reacties razendsnel en nauwkeurig uit. Dat lukt doordat ze hun binnenkant strak organiseren: moleculen zitten in afgebakende ruimtes waar ze onder gecontroleerde omstandigheden kunnen bewegen en reageren. Wetenschappers proberen dat principe steeds vaker na te bootsen in kunstmatige nanomaterialen, een vakgebied dat bekendstaat als nanocelengineering. Het resultaat zijn nanoreactoren: minuscule deeltjes met een speciaal ontworpen oppervlak en interne holtes, die technieken uit de celbiologie combineren met nanotechnologie.

Twee trucs uit de natuur

De nieuwe nanoreactor, opgebouwd uit cadmiumsulfide met een schil van polydopamine, bevat twee celachtige kenmerken. Ten eerste zit in die schil een chemisch koppel dat protonen steeds opneemt en weer afgeeft, als een soort estafette. Dat versnelt een proces waarbij protonen en elektronen gezamenlijk bewegen, protongekoppelde elektronoverdracht genoemd, en dat is cruciaal voor een efficiënte fotokatalyse. Ten tweede heeft het deeltje een holle kern omgeven door een poreuze schil. Die opbouw vangt binnenkomend licht extra effectief en laat reactiestoffen zich ophopen in de kern, waardoor moleculen elkaar makkelijker vinden. Samen zorgen deze twee eigenschappen ervoor dat de twee deelreacties die nodig zijn om H2O2 te maken – zuurstofreductie en wateroxidatie – beter op elkaar afgestemd blijven. Onder gewoon zichtbaar licht in water haalde de nanoreactor een productiesnelheid van 3,24 millimol H2O2 per gram katalysator per uur, met een omzettingsrendement van zonlicht naar chemische energie van 1,2 procent. Met spectroscopie, simulaties en berekeningen brachten de onderzoekers het onderliggende reactiemechanisme in kaart, een zogeheten Z-schema heterojunctie die te vergelijken is met de manier waarop planten licht verwerken tijdens fotosynthese.

Van lab naar duurzame toepassing

Om het systeem bruikbaar te maken buiten het laboratorium, verwerkten de onderzoekers de nanoreactoren in een hydrogel van natriumalginaat, een onschadelijk, plantaardig geleimiddel. Dat leverde een vast, herbruikbaar materiaal op dat onder gewoon zonlicht continu H2O2 kan blijven produceren. Volgens Li Can biedt de aanpak een nieuwe strategie om nanoreactoren steeds beter te laten lijken op levende cellen, met mogelijke toepassingen in kunstmatige fotosynthese, energiekatalyse en synthetische chemie – vergelijkbaar met de bredere zoektocht naar zonnebrandstoffen zoals groene waterstof. Het rendement van 1,2 procent is nog bescheiden vergeleken met commerciële processen, dus praktische toepassing ligt nog ver weg.