Een auto die op waterstofgas lijkt schoon, want er komt alleen water uit de uitlaatpijp. Maar ‘schoon’ is een relatief begrip. Kijk je verder dan je neus lang is, dan vallen belangrijke vraagtekens te zetten bij de toekomstige waterstofeconomie. Want hoe moet al dat waterstof gemaakt worden? Zou je daarvoor elektrolyse van water toepassen, dan moet je wel goed uitkijken waar je de elektriciteit vandaan haalt. Uit een centrale gestookt met steenkool? Dan draag je uiteindelijk toch bij aan het broeikaseffect. We moeten dus over technieken beschikken voor echt schone waterstofproductie willen we straks werkelijk schoon rijden op waterstof.

Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam denken dat de sleutel voor schone waterstofproductie in de natuur ligt. Op verschillende plaatsen. Aan de ene kant zijn er enzymen, hydrogenases geheten, die met grote efficiëntie en snelheid waterstof genereren uit protonen (waterstofionen) en elektronen. Aan de andere kant beschikt de natuur over ingenieuze systemen om de daarvoor benodigde energie te leveren. Neem de fotosynthese: daar wordt lichtenergie omgezet in chemische energie.

Supramoleculair

Bij de onderzoeksgroep voor Supramoleculaire Katalyse (met hoogleraren Joost Reek, Franti Hartl en Piet van Leeuwen) lieten Sander Kluwer en Ruta Kapre zich inspireren door deze natuurlijke processen. Ook Fred Brouwer, hoogleraar Moleculaire Spectroscopie, was bij het onderzoek betrokken.

Kluwer en Kapre ontwikkelden synthetische supramoleculaire complexen die in staat zijn om waterstof te genereren met licht als energiebron. De complexen zijn spontaan gevormde combinaties van twee afzonderlijke moleculaire bouwstenen die ieder een belangrijke rol vervullen in de waterstofproductie.

Centraal in de Amsterdamse moleculaire waterstofgenerator staat een verbinding die sterk lijkt op de actieve plek in natuurlijke hydrogenase-enzymen. Dit [Fe]-H₂ase is in staat om van protonen moleculair waterstof te maken. Daarbij zijn elektronen nodig, die geleverd worden door de andere bouwsteen, PSII. Dat is een synthetische variant van het groene chlorofyl uit de bladeren van planten.

Door de supramoleculaire aanpak konden de onderzoekers relatief eenvoudig verschillende varianten van de twee bouwstenen combineren. Voor acht combinaties onderzochten ze of er onder invloed van licht waterstof gevormd werd en in één van de combinaties bleek dat duidelijk het geval. Onderzoeksleider Joost Reek wil niet van een ‘eureka-moment’ spreken, maar hij was toch blij verrast: “We verwachten dat onze aanpak resultaat zou opleveren, maar we konden niet precies voorspellen wélke combinatie zou werken.” Hij is zeer tevreden met het resultaat: “We hebben nu laten zien dat twee in essentie natuurlijke moleculaire systemen ook buiten hun biologische omgeving samen actief kunnen zijn”.

Half systeem

Toch hebben de Amsterdammers nu in feite pas de helft van een moleculair systeem voor waterstofproductie gerealiseerd. De protonen waar ze waterstof van maken komen namelijk van de ionische vloeistof (een soort vloeibaar zout) waarin de experimenten zijn uitgevoerd. De schone waterstofeconomie kan pas echt een feit worden als het lukt om met licht protonen van water af te splitsen. Reek heeft daar wel ideeën over: “We gaan katalytische systemen ontwerpen om de energiebarrière bij het splitsen van water te overwinnen. In de natuur spelen mangaan en cadmium daarbij een rol, in laboratoria lijkt rutheen een kansrijk metaal.” Reek hoopt een watersplitsend moleculair complex te vinden dat zich makkelijk laat combineren met de nu ontdekte waterstofgenerator.