Van waterstofsulfide afval naar duurzame waterstof en zwavel

10 september 2017

Onderzoekers van het Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) van de UvA en het State Key Laboratory of Fine Chemicals in Dalian (China) zijn er in geslaagd om met behulp van licht het chemische afvalproduct waterstofsulfide op duurzame wijze om te zetten in de nuttige producten waterstof en zwavel. De resultaten zijn gepubliceerd als 'VIP paper' in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Angewandte Chemie.

Voor de overgang naar een maatschappij die op duurzame energie draait, zoeken wetenschappers naarstig naar technologieën die zonne-energie opslaan in chemische brandstoffen (solar fuels). Dit is onder andere belangrijk om fluctuaties in productie en gebruik van alternatieve energie te overbruggen. Veel aandacht gaat daarbij uit naar de directe omzetting van water naar waterstof en zuurstof.

Afvalproduct

Waterstofsulfide, met de chemische formule H2S, lijkt veel op water maar is tot nu toe maar weinig bestudeerd in de context van solar-fuels. Het is nu met name een afvalproduct bij het winnen van olie en gas, en heeft maar weinig economische waarde. De licht-gedreven conversie naar de waardevolle producten waterstof en vast zwavel is daarom interessant, zowel vanuit een duurzaamheids als een  economisch standpunt.

HIMS hoogleraar Joost Reek, tevens coördinator van het UvA onderzoekszwaartepunt Sustainable Chemistry, werkt sinds 2016 samen met het State Key Laboratory of Fine Chemicals in Dalian (China) aan de conversie van waterstofsulfide. Dit vindt plaats in het kader van een door de Chinese overheid gefinancierd '111 project' dat tot doel heeft de kennispositie van het land te versterken. Het werk dat is beschreven in het VIP paper in Angewandte Chemie is daarvan nu het eerste tastbare resultaat.

Moleculaire organisatie

In het onderzoek is een supramoleculaire kooi ontwikkeld die in staat is om de organische kleurstoffen (dyes) te binden die het (zon)licht moeten opvangen. De hoekpunten van de kooi bestaan daarbij uit nikkel complexen. Die maken het systeem katalytisch actief op het gebied van proton reductie, om zo efficiënt waterstof te vormen.

Beeld: HIMS.

Het systeem, dat is geïnspireerd op de reactieve holte van enzymen, combineert zo de fotokatalytische vorming van waterstof met de oxidatie van zwavel in één en hetzelfde proces. De voor-organisatie van de kleurstof en de katalysator in de moleculaire kooi is daarbij cruciaal. Het zorgt er voor dat aan de reductieve kant efficiënt lichtgedreven waterstof gevormd wordt, maar ook dat aan de oxidatie kant netjes vast zwavel neerslaat.

Gedetailleerde experimenten laten zien dat de voororganisatie in de kooi het lichtgedreven proces beïnvloedt: in plaats van directe reactie met het aanwezige sulfide, reageert de door het licht geactiveerde kleurstof met het nikkel. De geoxideerde kleurstof reageert vervolgens met het sulfide. Het gevolg is niet alleen dat er vast zwavel wordt gevormd (in plaats van polysulfide), maar ook dat het systeem uitzonderlijk stabiel is. De onderzoekers hebben inmiddels een voorstel gedaan hoe hun systeem in een industrieel proces is te benutten .

Publicatie

 Jing, X., Yang, Y., He, C., Chang, Z., Reek, J. N. H. and Duan, C. (2017), Control of Redox Events by Dye Encapsulation Applied to Light-Driven Splitting of Hydrogen Sulfide. Angew. Chem. Int. Ed.. doi:10.1002/anie.201704327

Gepubliceerd door  HIMS