Kunstmatige fotosynthese - · PDF filethylakoïden. Binnen een thylakoïde bevindt zich de thylakoïdruimte. Een ‘stapel’ thylakoïden wordt een granum genoemd

Lucy Y. Tao en Jin Z. Smeding

Dominicus College Nijmegen

23 februari 2016

Kunstmatige fotosynthese



6 VWO, Dominicus College, Nijmegen

Begeleidster: Sonja Schoenmakers

Profiel: Natuur en Gezondheid (N&G) & Natuur en Techniek (N&T)

Vakken: scheikunde, biologie en natuurkunde

In samenwerking met BioSolar Cells en de Universiteit van Amsterdam, prof. dr.

Joost Reek

Datum: 23 februari 2016

© Foto omslag: Jin Smeding

5

Voorwoord

Voor u ligt ons profielwerkstuk over kunstmatige fotosynthese. Wij zijn Lucy Tao en

Jin Smeding, twee leerlingen uit 6VWO van het Dominicus College te Nijmegen. We

hebben beiden een natuurprofiel en we wilden ons profielwerkstuk dan ook aan de

bètavakken koppelen. Na een aantal lange brainstormsessies kwamen we uit op

zonnecellen, maar dit vonden wij niet origineel genoeg. Later kwamen we een artikel

over kunstmatige fotosynthese tegen en hierin waren we beiden meteen

geïnteresseerd. Na meer informatie te hebben vergaard, kwamen we er achter dat er

nog niet heel veel bekend is over kunstmatige fotosynthese, aangezien er nog veel

onderzoek naar gedaan wordt.

Dit onderwerp is namelijk erg actueel en belangrijk. De mens verbruikt per jaar

enorm veel fossiele brandstoffen. Daarmee wordt er ook een grote hoeveelheid CO2

uitgestoten, wat bijdraagt aan het broeikaseffect. Daarnaast raken de fossiele

brandstoffen op en moet er gezocht worden naar alternatieven.

Een van die alternatieven is kunstmatige fotosynthese. Planten en bomen

doen al eeuwen aan fotosynthese, de omzetting van H2O en CO2 met behulp van

zonlicht in biomassa en zuurstof. Als de mens dit proces kan reproduceren, zal dit

het energieprobleem kunnen oplossen en het versterkte broeikaseffect kunnen

verminderen. Sommige kunstmatige fotosynthese systemen zetten H2O om in H2 en

O2. Deze systemen kunnen dus voor een nieuwe en groene energiebron zorgen.

Andere systemen halen ook CO2 uit de lucht om dit om te zetten in brandstof.

Hiermee zal ook het versterkte broeikaseffect verminderd kunnen worden.

Uit de informatie die we hadden gevonden bleek dat er wereldwijd veel verschillende

onderzoeken naar kunstmatige fotosynthese worden gedaan. De enige

onderzoeksgroep die we konden vinden en die in Nederland gevestigd is, is BioSolar

Cells. Dit is een samenwerkingsverband tussen verschillende kennisinstellingen en

bedrijven. Professor Joost Reek speelt binnen deze samenwerking een belangrijke

rol en met zijn onderzoeksteam doet hij onderzoek naar kunstmatige fotosynthese.

Hun onderzoek vindt plaats op de Universiteit van Amsterdam (UvA).

Nadat besloten was dat het onderwerp van ons profielwerkstuk kunstmatige

fotosynthese zou worden, wisten we al snel dat we graag mevrouw Sonja

Schoenmakers als begeleidster wilden, aangezien fotosynthese uit scheikundige

reacties bestaat. We willen haar graag hartelijk bedanken voor goede begeleiding.

6

Daarnaast willen we professor Joost Reek, Remko Detz, René Becker, Simon

Mathew en Rene Williams enorm bedanken voor hun tijd, vriendelijke ontvangst en

de hulp bij ons profielwerkstuk. Verder gaat onze dank uit naar meneer Jacques

Benen, die veel wetenschappelijke artikelen voor ons beschikbaar heeft gesteld,

Liyan Smeding, die bij de statistische analyses heeft geholpen, en de TOA’s van het

Dominicus College, die ons bij het praktijkonderzoek hebben begeleid.

We hopen dat u ons profielwerkstuk met plezier zult lezen.

Nijmegen, februari 2016

Lucy Y. Tao Jin Z. Smeding

Inhoudsopgave

7

Inhoudsopgave

Inleiding ................................................................................................................... 9

Hoofdstuk 1: Natuurlijke fotosynthese .................................................................... 10

1.1 Wat is natuurlijke fotosynthese? ................................................................. 10

1.2 De lichtreactie ............................................................................................. 11

1.3 De donkerreactie ........................................................................................ 14

Hoofdstuk 2: Kunstmatige fotosynthese door BioSolar Cells .................................. 15

Inleiding: wat is kunstmatige fotosynthese? ...................................................... 15

2.1 De instantie BioSolar Cells ......................................................................... 15

2.2 Reactie 1: licht opvangen ........................................................................... 16

2.3 Reactie 2: H2O splitsen ............................................................................... 17

2.4 Reactie 3: productie H2 ............................................................................... 18

2.5 Resultaten .................................................................................................. 18

Hoofdstuk 3: Praktijkonderzoek ............................................................................. 19

Praktijkonderzoek 1 .......................................................................................... 19

3.1 Doelstelling ........................................................................................... 19

3.2 Intermezzo: de Grätzel cel .................................................................... 19

3.3 Methode ............................................................................................... 21

3.4 Hypothese ............................................................................................ 23

3.5 Resultaten ............................................................................................ 24

3.6 Verwerking resultaten ........................................................................... 25

3.7 Conclusie .............................................................................................. 26

3.8 Discussie .............................................................................................. 27

Praktijkonderzoek 2 .......................................................................................... 28

Hoofdstuk 4: Andere onderzoeken ......................................................................... 30

4.1 Kunstmatige fotosynthese door MIT ........................................................... 30

4.2 Kunstmatige fotosynthese door Panasonic Corporation.............................. 32

Inhoudsopgave

8

4.3 Kunstmatige fotosynthese door Monash University .................................... 33

Hoofdstuk 5: Conclusie .......................................................................................... 35

Hoofdstuk 6: Discussie .......................................................................................... 36

Evaluatie ................................................................................................................ 38

Lucy ................................................................................................................. 38

Jin .................................................................................................................... 39

Afkortingenlijst ...................................................................................................... 42

Verantwoording ..................................................................................................... 43

Internetbronnen ................................................................................................ 43

Wetenschappelijke artikelen ............................................................................. 44

Boeken ............................................................................................................. 44

Video’s ............................................................................................................. 45

Illustraties ......................................................................................................... 45

Overige bronnen ............................................................................................... 45

Bijlagen .................................................................................................................. 47

A. Plan van aanpak .......................................................................................... 48

B. Logboek ....................................................................................................... 52

C. Verslag Bezoek BioSolar Cells ..................................................................... 61

D. t-toetsen ....................................................................................................... 71

Inleiding

9

Inleiding

In dit onderzoek wordt antwoord gegeven op de vraag hoe BioSolar Cells door

middel van chemische reacties op basis van natuurlijke fotosynthese brandstof

maakt en hoe dit proces van het proces van natuurlijke fotosynthese verschilt. Om

deze vraag te beantwoorden wordt er ten eerste ingegaan op natuurlijke

fotosynthese. Hierbij wordt uitgelegd wat dit is en hoe dit in zijn werk gaat.

Daarnaast is naar het proces van BioSolar Cells gekeken. Hierbij wordt gekeken

naar wat BioSolar Cells precies doet en de reactiemechanismen van hun proces van

kunstmatige fotosynthese worden toegelicht. Hierbij wordt meteen de vergelijking

gemaakt met natuurlijke fotosynthese. Bij het beantwoorden van deze vragen is er

gebruik gemaakt van internetpagina's, voorgaande onderzoeken van

wetenschappers en boeken. Vanzelfsprekend is er ook informatie gebruikt die bij het

bezoek aan de onderzoeksgroep van BioSolar Cells op de UvA is opgedaan.

Naast dit literatuuronderzoek is er ook een praktijkonderzoek gedaan. Hierin wordt

onderzocht hoe de geleiding van de elektronen in een Grätzel cel onder invloed

staan van verschillende kleuren licht. Hierbij wordt de spanning van Grätzel cellen

gemeten bij paars, blauw, groen, geel en rood licht. Met behulp van statistische

analyses worden er berekeningen gemaakt. De resultaten van deze analyses geven

antwoord op de onderzoeksvraag van het praktijkonderzoek. De verwachting is dat

er bij groen licht een hogere spanning gemeten zal worden dan bij rood licht en dat

er bij paars licht een grotere hoeveelheid volt zal worden gemeten dan bij blauw, geel

en rood licht.

Om te laten zien dat kunstmatige fotosynthese niet alleen door BioSolar Cells, maar

ook door universiteiten en bedrijven wereldwijd wordt onderzocht, worden er ook drie

andere onderzoeken kort uitgelegd. De onderzoeken van Massachusetts Institute of

Technology (MIT), Panasonic Corporation en Monash University worden met behulp

van het internet en wetenschappelijke artikelen besproken.

Verder worden het literatuuronderzoek en het praktijkonderzoek aan elkaar

gekoppeld. Ook worden er kort mogelijke toepassing van kunstmatige fotosynthese

gegeven.

1 Natuurlijke fotosynthese

10

Hoofdstuk 1: Natuurlijke fotosynthese

1.1 Wat is natuurlijke fotosynthese?1

Fotosynthese, oftewel koolstofassimilatie is het volgende netto chemische proces:

6 𝐶𝑂2 + 6 𝐻2𝑂 → 𝐶6𝐻12𝑂6 + 6 𝑂2. Dit gebeurt met behulp van licht in de

chloroplasten (bij planten: bladgroenkorrels) van autotrofe organismen. De bruto

vergelijking: 6 𝐶𝑂2 + 12 𝐻2𝑂 → 𝐶6𝐻12𝑂6 + 6 𝐻2𝑂 + 6 𝑂2

Fotosynthese speelt een belangrijke rol in de koolstofkringloop: door koolstofdioxide

uit de lucht te halen is dit een belangrijk proces om het versterkte broeikaseffect in

toom te houden. De reactieproducten zijn essentieel voor het leven op aarde:

zuurstof voor verbranding en glucose als bron van energie bij dissimilatie en andere

vormen van biomassa bij voortgezette assimilatie. Fotosynthetische organismen

staan dan ook aan het begin van de meeste voedselketens.

Chloroplasten zijn opgebouwd uit

twee membranen (Figuur 1). Binnen

het buitenste membraam zit een

sterk geplooide binnen-membraan

en het stroma. Het sterk geplooide

binnen-membraan (lamel) vormt

muntachtige eenheden: de

thylakoïden. Binnen een thylakoïde

bevindt zich de thylakoïdruimte. Een

‘stapel’ thylakoïden wordt een

granum genoemd.

In het proces van fotosynthese zijn twee reactiemechanismen te onderscheiden: de

lichtreactie en de donkerreactie. De lichtreactie vindt plaats in de binnen-membraan,

de donkerreactie in het stroma.

1 PUC of Science (Radboud Universiteit), module 8 (z.d.)

Figuur 1 Opbouw van een chloroplast.1


11

1.2 De lichtreactie23

De lichtreactie vindt plaats in de thylakoïdmembranen. Naast O2 (na het splitsen van

water) wordt er ATP en NADPH gevormd. In een netto reactievergelijking (de mol-

verhoudingen van ADP, Pi en ATP kunnen afwijken): 𝐻2𝑂 + 𝑁𝐴𝐷𝑃+ + 𝐴𝐷𝑃 + 𝑃𝑖 →

1

2 𝑂2 + 𝑁𝐴𝐷𝑃𝐻, 𝐻+ + 𝐴𝑇𝑃.

Bij de lichtreactie zijn twee fotosystemen betrokken: fotosysteem I (PSI) en

fotosysteem II (PSII). Deze bestaan weer uit een kerncomplex en een light-

harvesting antenna complex (LHCI en LHCII, in figuur 2: chlorofyl). Verder zijn er

andere moleculen betrokken die als oxidator of reductor functioneren in de

redoxreactie om de elektronen te vervoeren van PSII naar PSI.

2 Biologie Voor Jou, 5a leeropdrachtenboek (2012)

3 BINAS 2012 (Tabel 69B)

Figuur 3 Fotosynthese, lichtreactie.3

Figuur 2 De fotosystemen in het thylakoïdmembraan.2


12

Het fotosyntheseproces start bij een mangaan bevattende elektronenacceptor (in

figuur 3: blokje Z), dat water splitst in protonen, elektronen en zuurstof-ionen in de

thylakoïdruimte. De zuurstofionen binden aan elkaar en vormen zuurstofgas. De

elektronen komen in PSII (in figuur 3: P680) terecht. Hier worden ze energierijk

gemaakt met behulp van zonne-energie. De reactie ziet er als volgt uit:

2 𝐻2𝑂 (+ 𝑙𝑖𝑐ℎ𝑡𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒) → 4 𝐻+ + 4 𝑒− + 𝑂2

Een fotosysteem bestaat uit een

antennecomplex en een kerncomplex. Een

antennecomplex bestaat uit verschillende

pigmentmoleculen die licht absorberen. In

figuur 4 zijn dit de lichtgroene rondjes:

antenna pigment molecules. De energie die

de pigmentmoleculen hiermee opvangen

worden doorgegeven aan het doelwitpigment,

geïllustreerd door de zwarte pijlen in figuur 4. In

de kern van een fotosysteem bevindt zich het doelwitpigment, wat in figuur 4

reactioncenter chlorophyll wordt genoemd (het donkergroene rondje). In dit

reactiecentrum wordt lichtenergie (van fotonen) omgezet in chemische energie (van

aangeslagen elektronen).4

De energie van deze elektronen wordt gebruikt voor actief transport van de protonen

van het stroma naar de thylakoïdruimte. Dit gebeurt door middel van een

elektronentransportketen die achtereenvolgend reageren als oxidator en reductor.

Zoals uit figuur 4 blijkt, gaan de net energierijk gemaakte elektronen van het

doelwitpigment naar de primaire elektronenacceptor, in het geval van PSII, feofytine.

Het elektronentransportketen bestaat uit de volgende componenten:

- Plastochinon (Figuur 3: Pq), een reductor voor vervoer elektronen van

feofytine naar cytochroom-bf. De elektronen verliezen bij deze stap energie,

waar cytochroom-bf gebruik van maakt.

4 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings. Laatste raadpleging: 22

februari 2016,

http://bioserv.fiu.edu/~walterm/GenBio2004/chapter8_photosynthesis/photosynthetic_process

_download.htm

Figuur 4 Fotosysteem.4

http://bioserv.fiu.edu/~walterm/GenBio2004/chapter8_photosynthesis/photosynthetic_process_download.htm



13

- Cytochroom-bf is een eiwit dat de energie die de elektronen in de

elektronentransportketen verliezen gebuikt om H+ uit de stroma naar de

thylakoïdruimte actief te transporteren. Een verhoogde concentratie H+ is

nodig voor de productie van ATP. De productie van ATP maakt geen

onderdeel uit van een fotosysteem of elektronentransportketen, maar is wel

essentieel voor de fotosynthese. De ATP-productie wordt hieronder in een

intermezzo uitgelegd.

o Intermezzo: bij het eiwit ATP-synthase (in figuur 2: ATP-synthetase)

diffunderen de H+ uit de thyakoïdruimte naar het stroma. De diffusie,

berust op concentratieverschil, levert de nodige energie voor het

enzym ATP-synthase om de volgende reactie te laten plaatsvinden:

𝐴𝐷𝑃 + 𝑃𝑖 → 𝐴𝑇𝑃.

- Plastocyanine, een reductor dat de energiearme elektronen van cytochroom-

bf naar PSI vervoert.

Het bovenstaande elektronentransportketen brengt door middel van redoxreacties de

elektronen bij PSI. Hier worden de elektronen nog eens energierijk gemaakt met

behulp van zonne-energie (in P700). Dit gebeurt op dezelfde wijze als in P680. De

primaire elektronenacceptor van PSI is een ijzer-zwaveleiwit. Hierna doorlopen de

elektronen weer een elektronentransportketen, bestaand uit:

- Ferredoxine, verplaatst elektronen, helpt NADP-reductase met het binden van

2 H+, die vrij zijn gekomen bij het splitsen van water. De elektronen kunnen

twee kanten op:

o bij cyclische fotofosforylering (Figuur 3, BT 69B3) zijn ferredoxine en

NADP-reductase geblokkeerd. De elektronen gaan naar plastochinon

en doorlopen vanaf dat punt de gewone weg. Het gevolg hiervan is

dat er meer H+ in de lumen komen en dus dat er ATP dan NADPH,H+

wordt gemaakt.

o Bij niet-cyclische fotofosforylering (Figuur 3, BT69B2) vervolgen de

elektronen de onderstaande route.

- NADP-reductase: enzym voor de reactie 𝑁𝐴𝐷𝑃+ + 2𝐻+ + 2𝑒− → 𝑁𝐴𝐷𝑃𝐻, 𝐻+

De NADPH,H+ en ATP uit de lichtreactie gaan naar de donkerreactie.


14

1.3 De donkerreactie5

De donkerreactie, ook wel calvincyclus genoemd, vindt plaats in het stroma. De

reactie gaat als volgt: 6 𝐶𝑂2 + 6 𝐻2𝑂 + 18 𝐴𝑇𝑃 + 12 𝑁𝐴𝐷𝑃𝐻, 𝐻+ → 𝐶6𝐻12𝑂6 + 3 𝑂2 +

6 𝐻2𝑂 + 18 𝐴𝐷𝑃 + 18 𝑃𝑖 + 𝑁𝐴𝐷𝑃+. Wat er stap voor stap gebeurt wordt geïllustreerd

in figuur 5. De ADP, Pi en NADP+ kunnen hergebruikt worden in de lichtreactie.

C6H12O6, glucose, is een vaste stof die opgeslagen kan worden, eventueel in de

vorm van een polysacharide, die gevormd wordt bij voortgezette assimilatie. Deze

stof kan als bouwstof en als brandstof dienen voor het organisme.

5 BINAS 2012 (Tabel 69C)

Figuur 5 Fotosynthese, donkerreactie.5

2 Kunstmatige fotosynthese door BioSolar Cells

15

Hoofdstuk 2: Kunstmatige fotosynthese door BioSolar Cells6

Inleiding: wat is kunstmatige fotosynthese?

In hoofdstuk 1 Natuurlijke fotosynthese is het chemische proces van fotosynthese

besproken zoals deze in planten en bomen plaatsvindt. Bij kunstmatige fotosynthese

wordt geprobeerd dit proces te repliceren zonder gebruik te maken van levende

organismen. Dit leidt tot een aanpassing van de reacties, met onder andere het

gevolg dat er geen glucose wordt gevormd. Kunstmatige fotosynthese is een relatief

nieuw onderzoeksgebied; er zijn nog geen toepassingen van op de markt.

Verschillende instanties doen onderzoek naar kunstmatige fotosynthese. In dit

hoofdstuk wordt eerst informatie gegeven over de instantie BioSolar Cells.

Vervolgens zal er worden ingezoomd op het onderzoek van prof. Joost Reek aan de

UvA naar kunstmatige fotosynthese, wat onderdeel uitmaakt van BioSolar Cells. Na

contact met professor Joost Reek te hebben gehad, werd het laboratorium bezocht

op 25 november 20156. Onderzoeken van andere instellingen worden kort besproken

in hoofdstuk 4 Andere onderzoeken.

2.1 De instantie BioSolar Cells7

BioSolar Cells is een samenwerkingsverband tussen tien kennisinstellingen,

waaronder UvA, en 45 partners uit het bedrijfsleven. Dit onderzoeksproject loopt vijf

jaar en wordt aangestuurd door een managementteam. Daarnaast kent BioSolar

Cells een Wetenschappelijke Adviesraad. Dit samenwerkingsverband houdt zich

bezig met het verspreiden van en het vergroten van de kennis over duurzame zonne-

energie.

Het managementteam bestaat uit een vierkoppig comité en acht clusterleiders. De

algemeen directeur, René Klein Lankhorst, de voorzitter steering committee, Raoul

Bino, de wetenschappelijk directeur, Huub de Groot en de Valorisatie officier,

Gionata Leone, vormen het comité. Joost Reek en Ernst Sudhölter zijn clusterleider

van ‘(Semi-) kunstmatige systemen’, Klaas Hellingwerf en Gerrit Eggink van ‘Algen

6 Bijlage C Verslag Bezoek BioSolar Cells

7 BioSolar Cells (2016). Over BioSolar Cells. Laatste raadpleging: 22 februari 2016,

http://www.biosolarcells.nl/over-biosolar-cells/



16

en bacteriën’, Herbert van Amerongen en Jeremy Harbinson van ‘Planten’ en Jan

Dekker en Robin Purchase van ‘Onderwijs en maatschappelijk debat’.

In de Wetenschappelijke Adviesraad hebben Leslie Dutton, Eva-Mari Aro, Tony

Harriman, Wolfgang Lubitz en Wilhelm Gruissem zitting.

BioSolar Cells wordt gefinancierd door het ministerie van Economische Zaken,

Landbouw en Innovatie (25 miljoen euro), de Nederlandse Organisatie voor

Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) (3,5 miljoen euro), Nederlandse universiteiten

en onderzoeksinstituten (7 miljoen euro) en het bedrijfsleven (6,5 miljoen euro).8

Binnen dit samenwerkingsverband wordt er naast wetenschappelijke publicaties ook

heel veel informatie gedeeld. Over elk cluster wordt uitleg gegeven over wat het

cluster inhoudt en waarom het belangrijk is. Er worden op de website van BioSolar

Cells debatten en nieuwsartikelen gedeeld. Daarnaast zijn er door BioSolar Cells

modules voor het Voortgezet Onderwijs ontwikkeld voor de vakken biologie,

natuurkunde, scheikunde en NLT/maatschappijleer. Ook voor het Wetenschappelijk

Onderwijs (bachelor, master en honoursprogramma) zijn er cursussen ontwikkeld.

2.2 Reactie 1: licht opvangen

Het vangen van licht gebeurt net als bij natuurlijke fotosynthese met behulp van

antennesystemen. Dit houdt in dat er een netwerk van kleurstoffen moet worden

gevormd met een doelwitpigment.9 De “standaard” kleurstofmoleculen bestaan uit

een porfyrine-groep en een metaal in het centrum10. In theorie kunnen hier eindeloos

veel verschillende combinaties mee gemaakt worden, net zoals er in de restgroepen

van de porfyrines eindeloos variaties gemaakt kunnen worden. De

kleurstofmoleculen moeten aan een aantal eisen voldoen. Zo moeten de

kleurstofmoleculen goed licht absorberen. Ook moeten elektronen zich gemakkelijk

in het antennesysteem kunnen verplaatsen. Deze verplaatsing mag maar één kant

8 BioSolar Cells (2016). Over BioSolar Cells. Laatste raadpleging: 22 februari 2016,


9 “Bij de verhitting vormden de moleculen netwerken en verdween het oplosmiddel. Het

resultaat wat uit de oven kwam was een donker roodbruin poeder die onder

vacuümomstandigheden kristalleren, waarna ze kunnen binden met katalysatoren en zo

antennesystemen vormen.”, bron: Bijlage C Verslag Bezoek BioSolar Cells

10 Figuur 11, Bijlage C Verslag Bezoek BioSolar Cells, p. 64



17

op gaan, namelijk in de richting van het actieve centrum van het antennesysteem,

anders vindt er geen reactie plaats. Verder moeten de kleurstofmoleculen genoeg

energie leveren om van de gebonden elektronen vrije elektronen te maken. Dit is

afhankelijk van de reductor. De kleurstofmoleculen moeten goed binden aan de TiO2,

maar deze interactie mag bovengenoemde punten niet beïnvloeden.11

Vergeleken met de antennesystemen van planten staan deze antennesystemen nog

maar in de kinderschoenen. Hoewel de evolutie een lange tijd heeft gehad om haar

antennesystemen te perfectioneren, halen planten geen hoog rendement. Het zit

zelfs zo dat de fotosyntheseactiviteit bij planten theoretisch het hoogst is bij weinig

zon.12 Dit komt doordat veel zonlicht schadelijke radicalen oplevert. Schade wordt in

zulke gevallen voorkomen door moleculaire dimschakelaars waarmee planten een

teveel aan lichtenergie in een andere vorm van energie omzetten, zoals warmte-

energie, of door fluorescentie, waarmee het elektron in aangeslagen toestand komt

maar terugvalt in de grondtoestand en geen vrij elektron wordt dat reageert.11

2.3 Reactie 2: H2O splitsen13

Het splitsen van H2O vindt plaats op een glasplaatje met aan één zijde een laagje

fluorine doped tin oxide (FTO). De zijde waarop het laagje FTO zit, kan elektronen

geleiden. Op het glasplaatje worden kleurstofmoleculen en katalysatoren gebonden

door middel van TiO2. Dit plaatje wordt in vloeibaar water gestopt en belicht. De

kleurstofmoleculen absorberen het licht en gebruiken deze energie om H2O te

splitsen: 2 𝐻2𝑂 (+ 𝑙𝑖𝑐ℎ𝑡𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒) → 4 𝐻+ + 4 𝑒− + 𝑂2, hetzelfde proces zoals gebeurt

bij fotosynthese in de bladeren van planten. Met de overmaat H2O vormen de H+

atomen die vrijkomen H3O+ (aq): het water wordt zuurder naarmate de reactie langer

doorgaat. Om dit tegen te gaan wordt vooraf een fosfaatbuffer in het water

toegevoegd. Vergeleken met de fotosynthese reactie zoals die is besproken in

hoofdstuk 1 Natuurlijke fotosynthese is dit een minder complex systeem. Dit komt

onder andere doordat er geen ATP en/of NADPH,H+ gemaakt hoeft te worden.


12 Beurkens, Simone M.J.H. (z.d.). ‘Het systeem aarde. Biosfeer; fotosynthese in de

koolstofcyclus. PUC of Science (Radboud Universiteit): Een Machtig Avontuur, module 8.

p.48-53.



18

2.4 Reactie 3: productie H2

Ook de productie van H2 vindt plaats op een glasplaatje met FTO. Aan dit plaatje zijn

porfyrines, bijvoorbeeld met Zr in het centrum, en katalysatoren gebonden. De

katalysator voor de reactie 2 𝐻+ + 2 𝑒− → 𝐻2 is gebaseerd op het enzym

hydrogenase, dat voorkomt in een bacterie die H2 produceert. Zowel de

waterstofionen als de elektronen zijn afkomstig uit de reactie waarin H2O wordt

gesplitst. De elektronen verplaatsen zich door een stroomdraad en bij de optimale

opstelling diffunderen de waterstofionen door een membraan van de ene kant naar

de andere kant. Dit membraan wordt echter nog niet volop gebruikt in het onderzoek.

Aangezien planten geen H2 maar glucose produceren, staat deze reactie los van wat

in hoofdstuk 1 Natuurlijke fotosynthese is besproken.

2.5 Resultaten

Aan alle bovenstaande componenten van het kunstmatige fotosynthese systeem van

BioSolar Cells wordt nog volop onderzoek gedaan. Het is het onderzoeksteam van

professor Joost Reek al gelukt om H2 te maken, maar de resultaten zijn nog niet

constant en zeker nog niet optimaal of efficiënt genoeg om op de markt te brengen.

Omdat het onderzoek nog niet is afgerond, zijn de resultaten nog niet gepubliceerd.

3 Praktijkonderzoek

19

Hoofdstuk 3: Praktijkonderzoek

Praktijkonderzoek 1

3.1 Doelstelling

Het doel van dit praktijkonderzoek is om er achter te komen hoe de geleiding van de

elektronen in een Grätzel cel onder invloed staat van verschillende kleuren licht. Dit

wordt getest bij paars, blauw, groen, geel en rood licht. Hierbij wordt er gekeken naar

de hoeveelheid spanning die de Grätzel cel bij deze kleuren licht oplevert.

Voor dit onderzoek is gekozen om een Grätzel cel te gebruiken, omdat het proces

van het licht opnemen en een stroom van elektronen opwekken hetzelfde is als het

proces dat BioSolar Cells gebruikt voor kunstmatige fotosynthese. Als er in dit

onderzoek meer spanning wordt gemeten bij een bepaalde kleur licht, zal deze

bepaalde kleur licht ook een voordeel zijn voor de kunstmatige fotosynthese van

BioSolar Cells. De elektronenstroom zal dan groter zijn en dit betekent dat er in het

proces van kunstmatige fotosynthese van BioSolar Cells meer waterstof en zuurstof

kan worden geproduceerd bij die kleur licht.

3.2 Intermezzo: de Grätzel cel14

De Grätzel cel, genoemd naar ontdekker professor Michael Grätzel (1991)15, is een

foto-elektrochemische cel (PEC), een zonnecel die met behulp van zonlicht

chemische energie opwekt en kan opslaan. De cel kan opgedeeld worden in

verschillende lagen. Beide elektroden bevatten een glasplaatje met op één zijde

transparant conductive oxide (TCO). Het glasplaatje beschermt de cel en de TCO

zorgt voor een deel van de geleiding van de elektronen. Op de kathode, de ‘plus’-

elektrode, zit op de TCO een laagje grafiet dat elektronen geleidt en als katalysator

functioneert. Aan de anode, de ‘min’-elektrode, hechten titaandioxidemoleculen

(TiO2) aan de TCO. Deze TiO2-moleculen vormen een driedimensionaal netwerk

14 Het werkingsprincipe van de kleurstof zonnecel. Laatst geraadpleegd: 10 februari 2016,

http://www.mansolar.nl/technology?___store=nederlands&___from_store=default

15 O'Regan, B. & Grätzel, M. (24 oktober 1991). ‘A low-cost, high-efficiency solar cell based

on dye-sensitized colloidal TiO2 films’. Nature 353, 737-740. Laatste raadpleging: 10 februari

2016, http://www.nature.com/nature/journal/v353/n6346/pdf/353737a0.pdf


http://www.nature.com/nature/journal/v353/n6346/pdf/353737a0.pdf

3 Praktijkonderzoek

20

waar de elektronen door geleid kunnen worden. Aan de TiO2-moleculen hechten

kleurstofmoleculen. De beste tot nu toe bekende natuurlijke kleurstofmoleculen zijn

anthocyanen. Deze kleurstofmoleculen zijn onder andere te vinden in bramen,

frambozen en hibiscusbloemen. Om de kleurstofmoleculen aan de TiO2-moleculen te

laten binden, kun je het glasplaatje met de TCO en de TiO2 in bijvoorbeeld

hibiscusthee leggen. Tussen de kathode en de anode zit een elektrolyt, vaak wordt

jodide hiervoor gebruikt (Figuur 6). Er wordt een koperdraadje van de anode naar de

kathode geleid, zodat de stroomkring dicht is.16

Wanneer er licht op de Grätzel cel valt, zullen de kleurstofmoleculen een deel van de

energie van dit licht opvangen. Deze energie wordt vervolgens overgedragen op de

elektronen van de kleurstofmoleculen, waardoor deze elektronen in een aangeslagen

toestand raken. De elektronen komen vrij en hebben genoeg energie om door de

driedimensionale structuur van de TiO2 te gaan bewegen. Via de TCO en het

koperdraadje worden de elektronen naar de kathode geleid. De elektronen worden

hier opgenomen door ionen en door de elektrolyt geleid. Wanneer de ionen een

kleurstofmolecuul vinden die een elektron heeft afgestaan, wordt het elektron van de

ion op het kleurstofmolecuul overgedragen. De stroomkring is nu rond en het proces

kan weer opnieuw beginnen.

16 Het werkingsprincipe van de kleurstof zonnecel. Laatst geraadpleegd: 10 februari 2016,


Figuur 6 Schematische weergave van het werkingsprincipe van de Grätzel cel.16


3 Praktijkonderzoek

21

3.3 Methode

3.3.1 Benodigdheden

- Grätzel cel:

o 2 glasplaatjes met TCO per Grätzel cel (in dit onderzoek zijn er vier

cellen gebruikt; in totaal 8 glasplaatjes met TCO)

o TiO2 (vloeistof) + plaatje om TiO2 uit te smeren

o Tape of plakband

o Föhn

o Gasbrander, rooster en driepoot

o Hibiscusthee (kleurstof)

o Waterkoker (om de thee te zetten)

o Schaaltje

o Jodide (elektrolyt)

o Potlood (om de grafietlaag aan te brengen)

o 4 klemmetjes

o Water

o Papier

- Multimeter

- Donkere ruimte zonder licht

- Philips Livingcolors Tafellamp Micro, wit, LED (7001831PH)

64 kleuren

Lichtsterkte: 50 lumen

Netspanning: 100-240 V, 50-60 Hz

Wattage meegeleverde lamp: 4,7 W

3.3.2 Het prepareren van de Grätzel cel

Twee glasplaatjes met TCO zijn schoongespoeld met water en droog geveegd met

papier. Om te controleren aan welke kant van de glasplaatjes de TCO zat, werd de

multimeter op spanning gezet en werden de draadjes tegen een zijde van de

glasplaatjes gehouden. De kant waar de TCO niet op zat gaf een één op de

multimeter; de TCO zat dus op de andere kant. Daarna werden de glasplaatjes met

de TCO naar boven wijzend op een tafel gelegd. Op één van de twee plaatjes werd

met een potlood een grafietlaagje aangebracht. Het andere glasplaatje werd aan drie

zijden afgeplakt met tape (lange zijde ongeveer 2 mm en de korte zijde ongeveer 5

3 Praktijkonderzoek

22

mm). Er werden twee druppels TiO2 op het glasplaatje, waar geen tape zat,

gedruppeld en dit werd met een plastic plaatje zo gelijkmatig mogelijk uitgesmeerd.

De TiO2 werd met een föhn gedroogd (10 cm afstand tussen de föhn en het

glasplaatje). Nadat de TiO2 droog was, werd de TiO2 laag gesinterd. Het glasplaatje

werd met de TiO2 naar boven op een rooster op een driepoot gelegd. Met een stille

blauwe vlam van een gasbrander, waarvan de top van de vlam net onder het

glasplaatje zat, werd het glasplaatje verwarmd. Na een korte tijd werd de witte TiO2

bruin en daarna weer wit. Nadat de TiO2 weer wit was geworden, was het sinteren

klaar en werd het glasplaatje op een ander rooster gelegd om af te koelen tot

kamertemperatuur. Hierna werd er hibiscusthee gemaakt; water werd in een

waterkoker verhit tot het kookpunt en in een bekerglas met hibiscusbladeren

gegoten. Nadat de thee 5 minuten had getrokken, werd de thee zonder bladeren in

een schaaltje gegoten. Het glasplaatje met de TiO2 werd met de witte kant naar

boven in het schaaltje met de thee gelegd. Na 5 minuten werd het glasplaatje uit de

thee gehaald. Het glasplaatje had nu een rood-paarse kleur; de kleurstofmoleculen

uit de thee hadden zich aan de TiO2 gebonden. Het glasplaatje werd voorzichtig met

water afgespoeld en met een papiertje droog geveegd. Daarna werd een druppel

jodide op de TiO2 gedaan. Het andere plaatje werd met de zijde met het grafietlaagje

op de jodide gelegd. De jodide verspreidde zich tussen de twee glasplaatjes zonder

luchtbellen te vormen. De twee glasplaatjes werden met een klemmetje op elkaar

vast geklemd, zodat deze niet verschoven.

3.3.3 Proefopstelling en verloop

De klemmetjes van de kabels werden aan de uiteinden van de Grätzel cel geklemd

en de kabels werden in de multimeter gestoken. De multimeter werd op 2V gezet. De

Philips Livingcolors Tafellamp Micro (7001831PH) werd in het stopcontact gestopt en

op een blauwe kleur gezet. De ramen werden verduisterd en de lichten werden uit

gedaan. De Grätzel cel werd, aan de kabeltjes vastgehouden, met de kant van de

TiO2 tegen de lamp aan gehouden. De multimeter werd afgelezen en de maximale

spanning werd genoteerd. Daarna werd de Grätzel cel omgedraaid, zodat de

grafietkant van de cel tegen de lamp aan zat, en weer werd de maximale spanning

afgelezen en genoteerd. Dit werd herhaald met de andere drie cellen. Hierna werd dit

proces met de kleuren rood, groen, geel en paars herhaald.

3 Praktijkonderzoek

23

3.4 Hypothese

Bij groen licht zal een grotere hoeveelheid spanning gemeten worden dan bij rood

licht. Verder wordt er verwacht dat er bij paars licht betere geleiding van elektronen

zal zijn dan bij blauw, geel of rood licht. Volgens de formule 𝐸𝑓 =ℎ𝑐

λ , waarin Ef de

energie van een foton (in J) is, h de constante van Planck (in Js), c de lichtsnelheid

(in m/s) en λ de golflengte (in m), zal de energie van de foton toenemen naarmate de

golflengte van het licht kleiner wordt. Omdat de golflengte van paars licht kleiner is

dan die van blauw, groen, geel of rood licht17, zal de energie van de fotonen bij paars

licht groter zijn dan de energie van de fotonen bij blauw, groen, geel of rood licht.

Omdat de gebruikte kleurstof (anthocyanen in hibiscusthee) een rode kleur heeft, zal

het rode licht weerkaatst, en dus niet opgenomen, worden. De complementaire kleur,

groen licht, zal het beste worden opgenomen door de rode kleurstof18. Hierdoor

zullen er dus meer fotonen van het groene licht worden opgenomen dan fotonen van

het paarse, blauwe, gele en rode licht.

De energie die bij het groene licht per foton wordt opgenomen zal minder zijn

dan de energie per foton bij het paarse en blauwe licht, maar omdat er bij het groene

licht meer fotonen worden opgenomen dan bij het paarse of blauwe licht, zal er in

totaal bij het groene licht meer energie worden opgenomen door de elektronen dan

bij het paarse of blauwe licht. Bij het gele en rode licht zullen er minder fotonen

worden opgenomen dan bij het paarse, blauwe of groene licht. Daarnaast zal de

hoeveelheid energie per foton bij het gele en rode licht lager zijn dan bij het paarse,

blauwe en groene licht.

Er zal dus een verschil zitten tussen de verschillende kleuren licht (paars,

blauw, groen, geel en rood). De gemeten spanning bij groen licht zal hoger zijn dan

die bij rood licht. Verder zal paars licht meer spanning opwekken dan blauw, geel of

rood licht.

H0 = de verschillende kleuren licht hebben geen invloed op de geleiding van de

elektronen

H1 = er zit een verschil tussen de verschillende kleuren licht

17 BINAS 2012 (Tabel 19A)

18 Bijlage C Verslag bezoek BioSolarCell, Dhr. Dr. Rene M. Williams

3 Praktijkonderzoek

24

3.5 Resultaten

De maximale spanning van een Grätzel cel is bij paars, blauw, groen, geel en rood

licht gemeten. Dit is gedaan bij een lichtbron die vanaf de TiO2 kant van de Grätzel

cel kwam (Grafiek 1) en bij een lichtbron die vanaf de grafiet kant van de Grätzel cel

kwam (Grafiek 2). In beide grafieken is te zien dat de maximale spanning bij het

blauwe licht veel lager is dan de maximale spanning bij paars, groen, geel of rood

licht. Ook blijkt uit deze grafieken dat in beide gevallen geel licht de hoogste

maximale spanning geeft.

Grafiek 1 Maximale spanning van een Grätzel cel bij verschillende kleuren licht; lichtbron

vanaf de TiO2 kant.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

paars blauw groen geel rood

Maxim

ale

sp

an

nin

g (

Vo

lt)

Verschillende kleuren licht

Maximale spanning van een Grätzel cel bij verschillende kleuren licht; lichtbron vanaf de TiO2

kant

cel 1

cel 2

cel 3

cel 4

3 Praktijkonderzoek

25

Grafiek 2 Maximale spanning van een Grätzel cel bij verschillende kleuren licht; lichtbron

vanaf de grafiet kant.

3.6 Verwerking resultaten

Door middel van een two way anova zonder herhaling (Tabel 1) van de gegevens uit

grafiek 1 is bepaald of er een significant verschil zit tussen de verschillende kleuren

licht (voor α=0,05). Hieruit bleek dat P-waarde kleiner dan 0,05 was. Omdat de

anova niet aan geeft tussen welke kleuren er een significant verschil zit, zijn er tien

gepaarde t-toetsen gedaan (Bijlage D t-toetsen).

Deze statistische analyses zijn in Excel 2010 uitgevoerd.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

paars blauw groen geel rood

Maxim

ale

sp

an

nin

g (

Vo

lt)

Verschillende kleuren licht

Maximale spanning van een Grätzel cel bij verschillende kleuren licht; lichtbron vanaf de

grafiet kant

cel 1

cel 2

cel 3

cel 4

3 Praktijkonderzoek

26

Multifactoriële analyse zonder herhaling

SAMENVATTING Aantal Som Gemiddelde Variantie

paars 4 1,084 0,271 0,001285

blauw 4 0,548 0,137 0,007495

groen 4 0,975 0,24375 0,000413

geel 4 1,154 0,2885 0,000278

rood 4 0,795 0,19875 0,007922

Variantie-analyse

Bron van variatie Kwadratensom Vrijheidsgraden

Gemiddelde

kwadraten

F

P-

waarde

Kritische gebied

van F-toets

Kolommen 0,059575 4 0,014894 6,940176 0,003922 3,259167

Fout 0,025752 12 0,002146

Tabel 1 Two way anova zonder herhaling.

3.7 Conclusie

De anova geeft een P-waarde van 0,0039 (Tabel 1). Binnen de statistiek is

afgesproken dat de H0 verworpen wordt wanneer de P-waarde lager dan 0,05 ligt. In

dit geval ligt de gevonden P-waarde lager dan 0,05, dus de H0 mag verworpen

worden en er kan worden uitgegaan van de H1. Er zit dus een significant verschil

tussen de gemeten spanningen bij verschillende kleuren licht.

Uit de t-toetsen bleek dat er tussen blauw en geel (P-waarde van 0,0138)19, blauw en

paars (P-waarde van 0,0288)19 en groen en geel (P-waarde van 0,0143)19 een

significant verschil zat. Bij het gele licht werd er een significant grotere spanning

gemeten dan bij het blauwe licht. Verder was dit bij het paarse licht significant meer

dan bij het blauwe licht. Het aantal volt was bij het gele licht ook significant meer dan

bij het groene licht.

Uit de t-toetsen (Bijlage D t-toetsen) is gebleken dat de maximale spanning bij groen

licht niet significant groter is dan bij rood licht. Dit is niet in overeenstemming met de

hypothese en dit kan veroorzaakt zijn door een aantal factoren (3.8 Discussie). Bij

het paarse licht is alleen aangetoond dat dit significant meer spanning oplevert dan

blauw licht. De verschillen tussen het aantal volt bij aan de ene kant paars licht en

19 Bijlage D t-toetsen

3 Praktijkonderzoek

27

aan de andere kant geel en rood licht zijn niet significant gebleken. Ook dit komt niet

overeen met de hypothese. Mogelijke oorzaken hiervan zijn te lezen in 3.8 Discussie.

Wanneer er een kleur licht gekozen zou moeten worden waarbij een zo groot

mogelijke spanning van een Grätzel cel gemeten moet worden, dan moet geel licht

boven blauw licht verkozen worden. Ook paars licht zal hiervoor beter geschikt zijn

dan blauw licht. Daarnaast zal geel licht een beter resultaat opleveren dan groen

licht.

3.8 Discussie

In dit onderzoek is onderzocht wat de invloed van verschillende kleuren licht, paars,

blauw, groen, geel en rood licht, was op de geleiding van elektronen in een Grätzel

cel. Dit is getoetst door de spanning en de stroom van vier Grätzel cellen te meten bij

deze kleuren licht. De verwachting was dat de maximale hoeveelheid spanning bij

groen licht groter zou zijn dan bij rood licht en dat dit bij paars licht groter zou zijn dan

bij blauw, rood en geel licht.

Uit de resultaten van dit onderzoek blijkt dat er tussen alle geteste kleuren licht

verschil zit in de gemeten spanning. Uit de statistische analyse die vervolgens is

uitgevoerd blijkt dat alleen tussen blauw en geel, blauw en paars en groen en geel

een significant verschil zit. Hoewel dit uit de t-toetsen blijkt, kan dit niet met zekerheid

worden aangenomen. Er zijn namelijk een aantal factoren die de meetwaarden

hebben kunnen beïnvloed.

Ten eerste zijn de gebruikte Grätzel cellen zelf gemaakt. Hierdoor is de

hoeveelheid TiO2 en de hoeveelheid kleurstofmoleculen in de cellen niet gelijk. Het

kan zijn dat er in de ene cel meer TiO2 zit, waardoor er meer plaats is voor de

kleurstofmoleculen om te binden en er dus meer elektronen geleid kunnen worden.

Ook is het mogelijk dat de ene cel iets langer in de hibiscusthee heeft gelegen,

waardoor er meer kleurstofmoleculen hebben kunnen binden met de TiO2 en er dus

meer elektronen geleid kunnen worden.

Ten tweede is de hoeveelheid spanning van de Grätzel cellen met drie cijfers

achter de komma gemeten. Er is gebruikt gemaakt van een multimeter, omdat in

eerste instantie het idee was om naast de spanning ook de stroom in ampère te

meten. Door tijdgebrek is dit laatste echter niet gelukt. Het gebruik van een

multimeter heeft er wel toe geleid dat de metingen niet heel erg nauwkeurig zijn.

3 Praktijkonderzoek

28

Ten derde zijn de gebruikte cellen meer dan twee weken na het bouwen

gebruikt. De elektrolyt kan gedeeltelijk zijn opgedroogd, waardoor de elektronen

minder goed door de cel geleid kunnen worden.

Bovendien waren de kleuren licht subjectief; de kleurcodes van de gebruikte

kleuren licht, en daarmee de precieze kleuren, waren niet bekend. Ook de

golflengten van de kleuren licht waren niet bekend. Hierdoor konden er geen

berekeningen met de golflengte gedaan worden en de precieze hoeveelheid energie

kon niet berekend worden.

Verder is niet gekeken naar de geleiding van elektronen in een Grätzel cel bij

zonlicht of wit licht. Hier kan dus ook niet mee vergeleken worden. De Grätzel cel is

een zonnecel en zal dus voornamelijk bij zonlicht gebruikt worden. Omdat hier niet

mee vergeleken kan worden, kan er ook niets gezegd worden over de kleur licht

waarbij de geleiding van elektronen optimaal of beter dan de standaard is (waarbij de

standaard zonlicht is).

Ook bestond de onderzoeksgroep uit slechts vier cellen. Zoals in de

resultaten te zien is, zit er tussen cel 1 en 2 aan de ene kant en cel 3 en 4 aan de

andere kant bij de maximale spanning van een Grätzel cel bij blauw licht (lichtbron

vanaf de TiO2 kant, Grafiek 1) een groot verschil. Wanneer er een grotere

onderzoeksgroep wordt gebruikt, zal de variantie kleiner zijn.

Er zal verder onderzoek gedaan moeten worden naar de invloed van verschillende

kleuren licht op de geleiding van elektronen in een Grätzel cel om de bevindingen

van dit onderzoek te controleren. In dit vervolgonderzoek zal er met licht gewerkt

moeten worden waarvan de golflengte bekend is. Ook zal er naast de kleuren licht

die in dit onderzoek zijn getest wit licht of zonlicht moeten worden getest om een

betere vergelijking te kunnen maken. Verder zal het vergroten van de

onderzoeksgroep tot een beter onderzoek leiden. Om de nauwkeurigheid van de

meetgegevens te verbeteren zou een voltmeter gebruikt kunnen worden in plaats

van een multimeter.

Praktijkonderzoek 2

Voordat praktijkonderzoek 1 uitgevoerd is, was het plan om de geleiding van de

Grätzel cel te meten bij verschillende temperaturen (20°C, 60°C en 100°C). Dit was

het eerste idee, omdat er op de aarde veel verschillende klimaten bestaan, ieder met

hun eigen temperatuur. De vraag ‘hoe staan de stroom en spanning van de Grätzel

3 Praktijkonderzoek

29

cel onder invloed van de temperatuur bij 20, 60 en 100 graden Celsius?’ moest

beantwoord worden.

De verwachting was dat er bij een hogere temperatuur meer kinetische energie zou

zijn en dat maximale spanning bij een hogere temperatuur hierdoor ook hoger zou

zijn dan bij een lagere temperatuur. Omdat er meer kinetische energie is, zullen de

elektronen sneller in de aangeslagen toestand komen en dus eerder vrije elektronen

worden. Deze vrije elektronen zullen dan ook meer energie hebben, waardoor de

spanning hoger zal zijn.

De Grätzel cellen werden geprepareerd, zoals in 3.3.2 Het prepareren van de Grätzel

cel beschreven is. Hierna werd het waterbad klaargezet op 20°C. De Grätzel cel

werd aan de uiteinden van de cel met de kabeltjes aan de multimeter verbonden. De

multimeter werd op 2V gezet en de Grätzel cel werd aan de kabeltjes naast het

waterbad vastgehouden. De multimeter werd afgelezen en de gegevens werden

genoteerd. Daarna werd de Grätzel cel boven het waterbad gehouden en de

multimeter werd afgelezen. Hierna werd de Grätzel cel in een doorzichtig plasticzakje

in het waterbad gehouden, zodat de cel intact zou blijven. Opnieuw werd de

multimeter afgelezen en het aantal volt werd genoteerd. De verwachting was dat het

aantal volt dat werd gemeten in het waterbad en boven het waterbad dicht bij elkaar

in de buurt lag. De gegevens die genoteerd waren, waren erg verschillend. Omdat

deze meetgegevens niet in de buurt kwamen van de verwachting, werden deze

metingen met een andere Grätzel cel herhaald. Ook deze meetgegevens lagen ver

uit elkaar. Hierna werd de temperatuur van het waterbad verhoogd tot 100°C en

werden dezelfde metingen naast, boven en in het waterbad uitgevoerd. De metingen

waren opnieuw erg verschillend en er werd bekeken waar dit aan zou kunnen liggen.

Het vermoeden was dat de hoeveelheid licht op elke plaats anders was. Daarom

werd het aantal volt in de schaduw van het waterbad en op een andere plaats naast

het waterbad gemeten. Deze metingen waren wederom erg verschillend en het

vermoeden werd dus bevestigd. Er is toen besloten om te stoppen met dit onderzoek

en om een onderzoek (Praktijkonderzoek 1) te doen.

4 Andere onderzoeken

30

Hoofdstuk 4: Andere onderzoeken

Kunstmatige fotosynthese is een actueel onderwerp dat steeds belangrijker wordt.

Nu de fossiele brandstoffen langzaamaan op raken, is men op zoek naar een

nieuwe, onuitputbare energiebron. Een oplossing zou kunstmatige fotosynthese

kunnen zijn.

Niet alleen BioSolar Cells houdt zich bezig met kunstmatige fotosynthese, maar ook

universiteiten en bedrijven wereldwijd doen er onderzoek naar. Doordat er allerlei

verschillende instanties onderzoek naar doen, zijn er ook veel verschillende

methoden van kunstmatige fotosynthese uitgevonden.

4.1 Kunstmatige fotosynthese door MIT20

Een van de universiteiten die onderzoek hebben gedaan naar kunstmatige

fotosynthese is MIT, Cambridge, Massachusetts (Verenigde Staten). Het

onderzoeksteam, onder leiding van professor Daniel Nocera, heeft een kunstmatig

blad ontwikkeld. Dit blad zet water met behulp van zonlicht om in zuurstof en

waterstof.

De onderzoekers van MIT hebben een PEC met draden en een draadloze PEC

gemaakt. De onderdelen en de reacties die in beide cellen plaatsvinden zijn voor het

grootste gedeelte hetzelfde; alleen de plaats waar deze onderdelen zitten en de

reacties plaatsvinden is anders (Figuur 7).

In de PEC met draden wordt een siliconen zonnecel (3jn-a-Si) op een roestvrij stalen

plaatje gemonteerd. Op deze siliconen zonnecel zit een laagje Indium Titaan Oxide

(ITO), waarop de oxiderende katalysator (Co-OEC katalysator) is aangebracht. De

op nikkel gebaseerde katalysator (NiMoZn) is op een nikkel mesh (een soort gaas)

geplaatst. Deze nikkel mesh is met een draad verbonden met het roestvrij stalen

plaatje.

20 Reece, S. Y. & Hamel, J. A. & Sung, K. & Jarvi, T. D. & Esswein, A. J. & Pijpers, J. J. H. &

Nocera, D. G. (29 september 2011). ‘Wireless Solar Water Splitting Using Silicon-Based

Semiconductors and Earth-Abundant Catalysts’. Science. Laatste raadpleging: 22 februari

2016, http://science.sciencemag.org/content/early/2011/09/28/science.1209816

http://science.sciencemag.org/content/early/2011/09/28/science.1209816


31

In de draadloze cel zit de Co-OEC katalysator ook op een

laagje ITO, die op een siliconen zonnecel zit. Hieraan zit net

als bij de PEC met draden een roestvrij stalen plaatje. De

NiMoZn katalysator is in de draadloze zonnecel op de andere

kant van het roestvrij stalen plaatje aangebracht.

Wanneer de cel in water in zonlicht wordt gezet, zullen er na

een tijdje vanzelf O2 en H2 bubbels ontstaan. Het water zal

dan met behulp van de Co-OEC katalysator omgezet worden

in zuurstof en waterstofionen, zoals in de volgende

reactievergelijking: 2 𝐻2𝑂 (𝑙) → 𝑂2 (𝑔) + 4 𝐻+ + 4 𝑒−. De

waterstofionen die hierbij ontstaan reageren vervolgens met

behulp van de NiMoZn katalysator tot waterstof. De reactie

hier plaatsvindt kan als volgt worden opgeschreven: 4 𝐻+ +

4 𝑒− → 2 𝐻2(𝑔). Indien de ontstane O2 bubbels en H2 bubbels

gescheiden worden gehouden, kunnen de twee stromen van

deze bubbels opgevangen en opgeslagen worden, om later

als brandstof gebruikt te worden.

Een van de redenen dat dit kunstmatige blad nog niet op de

markt kan worden gebracht is het lage rendement. De PEC

met draden heeft een overall solar-energy to fuel-energy

conversion efficiency (SFE), oftewel het rendement van

zonne-energie tot brandstofenergie, van 4,7% en de

draadloze cel heeft een SFE van 2,5%21.

Om dit systeem commercieel te maken, moeten ook de kosten omlaag worden

gebracht. De gebruikte materialen komen in overvloed voor op aarde en zijn dus

goedkoop, maar de kosten om het systeem op grote schaal te bouwen zijn nog hoog.

In één van Nocera’s vervolgonderzoeken is de SFE verhoogd tot 10%22.

21 Reece, S. Y. & Hamel, J. A. & Sung, K. & Jarvi, T. D. & Esswein, A. J. & Pijpers, J. J. H. &

Nocera, D. G. (29 september 2011). ‘Wireless Solar Water Splitting Using Silicon-Based

Semiconductors and Earth-Abundant Catalysts’. Science. Laatste raadpleging: 22 februari

2016, http://science.sciencemag.org/content/early/2011/09/28/science.1209816, p. 645, 647.

22 Cox, C. R. & Lee, J. Z. & Nocera, D. G. & Buonassisi, T. (15 september 2014). ‘Ten-

percent solar-to-fuel conversion with nonprecious materials’. Chemistry. Laatste raadpleging:

22 februari 2016, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4191778/

Figuur 7 Schematische weergave

van een PEC met draden (a) en

een draadloze cel (b).21


http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4191778/


32

4.2 Kunstmatige fotosynthese door Panasonic Corporation23

Ook het Japanse elektronicabedrijf Panasonic Corporation houdt zich bezig met

kunstmatige fotosynthese. Het team van Panasonic heeft een systeem ontwikkeld

waarin water en koolstofdioxide met behulp van zonlicht omgezet wordt in zuurstof

en brandstof, onder andere methaanzuur, ook wel mierenzuur genoemd, en ethanol.

Dit systeem bestaat uit twee processen. In het ene proces wordt water geoxideerd en

in het andere wordt CO2 omgezet in brandstof. De foto-elektrode waarop de oxidatie

van water plaatsvindt ligt water en hier wordt licht op geschenen. Voor deze

elektrode wordt een nitride halfgeleider gebruikt, omdat de excitatie-energie die deze

halfgeleider opwekt voldoende is voor de omzetting van CO2. Bij de oxidatie van

water treedt de volgende reactie op: 2 𝐻2𝑂 (𝑙) → 𝑂2 (𝑔) + 4 𝐻+ + 4 𝑒−. De

vrijgekomen elektronen gaan via een metalen draadje naar de metalen katalysator

tegenover de nitride halfgeleider. De waterstofionen die zijn ontstaan gaan via een

watertunnel naar de metalen katalysator (Figuur 8). Hier vindt de reductie van CO2

plaats. Een van de reacties die hier verloopt is 2 𝐻2𝑂 (𝑙) + 2 𝐶𝑂2 (𝑔) → 𝑂2 (𝑔) +

2 𝐻𝐶𝑂𝑂𝐻 (𝑙)24.

23

Panasonic Headquarters News (30 juli 2012). Panasonic Develops Highly Efficient Artificial

Photosynthesis System Generating Organic Materials from Carbon Dioxide and Water.

Laatste raadpleging: 22 februari 2016,

http://news.panasonic.com/press/news/official.data/data.dir/2012/07/en120730-5/en120730-

5.html

24 https://www.youtube.com/watch?v=q2lPQWL3o0U, minuut 1:34

Figuur 8 Schematische weergave van het kunstmatige

fotosynthese systeem van Panasonic Corporation.23

http://news.panasonic.com/press/news/official.data/data.dir/2012/07/en120730-5/en120730-5.html


https://www.youtube.com/watch?v=q2lPQWL3o0U


33

Op 30 juni 2013 was het gemeten rendement van het systeem, 0,2%25 (zonne-

energie tot brandstofenergie), naar eigen zeggen werelds hoogste rendement. Dit

percentage is vergelijkbaar met het rendement van echte planten. Panasonic is

momenteel bezig om met dit systeem andere reactieproducten te laten ontstaan,

zoals alcoholen of koolwaterstoffen.

4.3 Kunstmatige fotosynthese door Monash University26

Een andere universiteit die zich bezig houdt met kunstmatige fotosynthese is Monash

University, Melbourne (Australië). Onder leiding van professor Leone Spiccia heeft

het onderzoeksteam een systeem ontwikkeld, waar waterstof en zuurstof bij vrijkomt.

Met dit systeem heeft het team een record SFE gemeten van 22%26.

Niet alleen het gebruik van de juiste katalysator is van belang om een zo hoog

mogelijk SFE te krijgen, maar ook het koppelen van de eigenschappen van de

zonnecel aan de katalysator heeft een grote invloed op de SFE.

De cel die het team heeft gebruikt bestaat uit een kathode en een anode, beiden

gemaakt van nikkelschuim. Dit materiaal is in overvloed op de aarde aanwezig en het

is erg goedkoop. Ook heeft het nikkelschuim een hoge stabiliteit in de gebruikte

omstandigheden en is het mogelijk een grote oppervlakte te creëren. Verder geleidt

nikkelschuim de elektronen goed en is het potentiaal hoog genoeg om de reacties te

laten verlopen. De kathode en de anode zijn met een metalen draadje aan elkaar

gekoppeld, zodat de stroomkring gesloten is. Hierbij ontstaat er waterstof aan de

kathode en zuurstof aan de anode.

In het onderzoek is de SFE van de cel met verschillende elektrolyten gemeten. De

record SFE van 22,4% is bij een elektrolyt van 1,0 M NaOH (pH=13,6)26, een

25

Panasonic Headquarters News (30 juli 2012). Panasonic Develops Highly Efficient Artificial

Photosynthesis System Generating Organic Materials from Carbon Dioxide and Water.


http://news.panasonic.com/press/news/official.data/data.dir/2012/07/en120730-5/en120730-

5.html

26 Bonke, S. A. & Wiechen, M. & MacFarlane, D. R. & Spiccia, L. (11 augustus 2015)

‘Renewable fuels from concentrated solar power: towards practical artificial photosynthesis’.

Energy Environ Sci.,2015, 8, 2791. Laatste raadpleging: 22 februari 2016,

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/ee/c5ee02214b#!divAbstract





34

elektrolyt van 1,0 M natriumsulfaat (pH=6,5)27 en een elektrolyt van 1,0 M zwavelzuur

(pH=0,0)27 gemeten. Ook 1,0 M fosfaatbuffer (pH=7,0)27 bleek een stabiele stroom

van elektronen te creëren. Bij het testen van de eerste elektrolyt, 1,0 M NaOH

(pH=13,6) bleek de optimum oppervlakte van de elektroden 10 cm2 te zijn27.

Verder is de cel met een elektrolyt van 1,0 M fosfaatbuffer (pH=7,0), gemaakt met

gefilterd rivierwater (uit de Yarra River, Melbourne, Australië), getest. Dezelfde hoge

SFE kan worden gemeten, maar de optimum oppervlakte van de elektroden was

hierbij 20 cm2 27. Dit laat zien dat deze cellen ook in rivierwater kunnen worden

gebruikt, wat gunstig is voor de toepassing van de cellen.

27 Bonke, S. A. & Wiechen, M. & MacFarlane, D. R. & Spiccia, L. (11 augustus 2015)

‘Renewable fuels from concentrated solar power: towards practical artificial photosynthesis’.

Energy Environ Sci.,2015, 8, 2791. Laatste raadpleging: 22 februari 2016,



5 Conclusie

35

Hoofdstuk 5: Conclusie

Op basis van het literatuuronderzoek kan er antwoord worden gegeven op de vragen

hoe BioSolar Cells brandstof maakt door middel van chemische reacties gebaseerd

op fotosynthese en hoe kunstmatige fotosynthese van BioSolar Cells van de

natuurlijke fotosynthese verschilt.

Overeenkomsten

Ten eerste zijn beide scheikundige reacties redox-reacties. De overeenkomstige

reactie is 2 𝐻2𝑂 → 4 𝐻+ + 4 𝑒− + 𝑂2. Ten tweede gebeurt stap één van beide

redoxreacties, namelijk het spitsen van water, op vergelijkbare wijze. Bovendien

gebruikten beide systemen zonlicht als energiebron. Verder wordt het zonlicht

geabsorbeerd en verwerkt door antennesystemen.

Verschillen

Het kunstmatige fotosynthese systeem van BioSolar Cells maakt geen gebruik van

membraan-reacties zoals planten wel doen. Dit komt doordat planten behalve O2 ook

ATP en NADPH,H+ produceren in de lichtreactie. Het gevolg is dat er andere

intermoleculaire bindingen zijn: planten gebruiken het membraan en BioSolar Cells

gebruiken geleidende glasplaatjes en TiO2. Om dezelfde reden hebben planten twee

antennesystemen in één reactieketen en gebruikt BioSolar Cells maar één

antennesysteem per reactieketen. Daarnaast verschillen de kleurstofmoleculen die in

de antennesystemen worden gebruikt. Planten produceren glucose en BioSolar Cells

produceert H2. Dit betekent dat het tweede deel van de redox-reactie, in tegenstelling

tot het eerste deel van de redoxreactie, totaal verschillend is tussen planten en het

kunstmatige fotosynthese systeem van BioSolar Cells.

Praktijkonderzoek

Zoals in 3.7 Conclusie staat beschreven, bleek uit het praktijkonderzoek dat de

maximale spanning bij groen licht niet significant groter is dan bij rood licht. Ook

bleek paars licht niet significant meer spanning op te wekken dan geel of rood licht.

Dit is beiden niet in overeenstemming met de hypothese. Mogelijke oorzaken hiervan

zijn te lezen in 3.8 Discussie.

6 Discussie

36

Hoofdstuk 6: Discussie

Omdat de onderzoekvragen van het literatuuronderzoek en van het

praktijkonderzoek eigenlijk niets met elkaar te maken hebben, kan er ook geen

vergelijking worden gedaan van de conclusies.

Zoals in hoofdstuk 3 Praktijkonderzoek is beschreven, is de werking van een Grätzel

cel vergelijkbaar met het proces van kunstmatige fotosynthese waar BioSolar Cells

onderzoek naar doet. De uitkomst van het praktijkonderzoek was dat de hoeveelheid

spanning van een Grätzel cel bij geel licht significant groter was dan bij blauw of

groen licht. Ook wekte paars licht significant meer spanning op in een Grätzel cel dan

blauw licht. Omdat de manier waarop de spanning wordt opgewekt bij zowel de

Grätzel cel als het kunstmatige fotosynthese systeem van BioSolar Cells hetzelfde is,

is het waarschijnlijk dat de elektronen bij geel licht ook meer energie hebben dan bij

blauw of groen licht en dat de spanning bij paars licht groter is dan bij blauw licht. Dit

is echter nog niet onderzocht. Om dit te testen, zou er een nieuw onderzoek naar

gedaan moeten worden. Uit het literatuuronderzoek is gebleken dat het

onderzoeksteam van BioSolar Cells nog niet zo ver is om een werkende kunstmatige

fotosynthese cel te kunnen demonstreren. Zolang dit nog niet mogelijk is, kunnen er

ook geen testen, zoals het meten van de maximale spanning bij verschillende

kleuren licht, mee gedaan worden. De resultaten en de verwerking hiervan kunnen

dus niet vergeleken worden.

Als dit systeem in de toekomst stabiel genoeg is en het rendement voldoende is, zou

dit, net zoals zonnepanelen, op de commerciële markt kunnen komen. Er zijn al

verschillende kunstmatige fotosynthese systemen die stabiel genoeg zijn, maar die

zijn nog niet gereed om op de markt te komen. Een aantal redenen hiervoor zijn te

lage rendementen, te kostbare of dure materialen of te hoge installatiekosten. Een

voorbeeld van een systeem dat wel al stabiel is, is het kunstmatige blad van MIT (4.1

Kunstmatige fotosynthese door MIT). Het onderzoeksteam van MIT heeft ook al

nagedacht over hoe het kunstmatige blad toegepast kan worden. Elk huis zou

panelen, die zonne-energie opnemen, op het dak kunnen bevestigen (bijvoorbeeld

zonnepanelen). Overdag kan de energie die hierbij ontstaat door de apparaten in het

huis gebruikt worden. Tegelijkertijd kan de overmaat aan energie gebruikt worden om

water te splitsen, zoals in het kunstmatige blad. De ontstane waterstof en zuurstof

6 Discussie

37

kan dan opgeslagen worden en ’s nachts kan dit in een brandstofcel weer omgezet

worden in water, waardoor er elektriciteit ontstaat (Figuur 9).28

Kunstmatige fotosynthese zou ook in fabrieken gedaan kunnen worden. Er zouden

fabrieken gebouwd kunnen worden waarin dit proces plaats vindt. De

reactieproducten, zoals koolwaterstoffen of waterstof en zuurstof, zouden dan als

transportbrandstof of als grondstof in andere fabrieken of voor het genereren van

elektriciteit gebruikt kunnen worden.

28

The Future of Things. Improved way for creating hydrogen developed. Laatste raadpleging:

23 februari 2016, http://thefutureofthings.com/3715-improved-way-for-creating-hydrogen-

developed/

Figuur 9 Concept toepassing kunstmatig blad MIT28

http://thefutureofthings.com/3715-improved-way-for-creating-hydrogen-developed/


Evaluatie

38

Evaluatie

Lucy

Hoewel ik, Lucy, bij het kiezen van dit onderwerp al wel wist dat we te maken zouden

hebben met ingewikkelde teksten en processen, keek ik er naar uit me te verdiepen

in de kunstmatige fotosynthese. Deze interesse is gedurende het proces niet

verminderd.

De samenwerking met Jin vond ik erg prettig. Zoals in het logboek (Bijlage B

Logboek) te zien is, hebben we de theorie grotendeels zelfstandig doorgenomen en

verwerkt. Dit is tijd die we zelf konden inplannen, wat ik heel fijn vond aangezien we

goed rekening konden houden met onze eigen agenda’s. Ook hebben we tussendoor

samen afspraken gemaakt. Een klein minpuntje was het feedback geven tussendoor.

Ik had persoonlijk graag meer feedback gewild en het kwam op mij over alsof Jin

mijn feedback niet waardeerde. Het tijdsplan kreeg naarmate we verder in het proces

waren meer vorm, aangezien we afhankelijk waren van de reacties van de externe

instanties.

Verder konden we elkaar makkelijk bereiken, wat fijn was voor overleg. Ook bij het

bezoek aan de Universiteit van Amsterdam hebben we effectief informatie

verzameld; ik maakte aantekeningen van wat de wetenschappers ons vertelden en

Jin maakte foto’s van opstellingen, waarnemingen en complexe moleculaire

structuren die ik niet zo snel na kon tekenen. Deze samenwerking heeft er onder

andere toe geleid dat ik de grote stroom aan informatie die we die dag hebben

gekregen goed kon verwerken in dit verslag.

De taakverdeling was helder en we hebben ons beiden aan de afspraken gehouden.

We zijn op tijd begonnen met plannen, maar we hebben de week voor de deadline

van dit profielwerkstuk aanpassingen moeten maken in verband met een mislukt

proefje (Praktijkonderzoek 2). Ik ben zeer positief op de manier waarop wij met deze

“last-minute” aanpassingen om zijn gegaan, al zou ik in het vervolg de eigen proefjes

eerder inplannen (hoewel we beiden nauwelijks tijd hadden om hiervoor een

gezamenlijk tijdstip te vinden) om deadline-stress te voorkomen.

Evaluatie

39

Op de Universiteit van Amsterdam heb ik een leuke, gezellige en hele leerzame dag

gehad, met speciale dank aan professor dr. Joost Reek, die de dag voor ons had

ingepland. We begonnen met een inleiding op zijn kantoor en gingen daarna het

laboratorium in om mee te kijken met waar zijn collega’s op het moment onderzoek

naar deden. De dag sloten we af met het maken van een Grätzel cel. De

wetenschappers waren allemaal erg vriendelijk en enthousiast, ook naar aanleiding

van de vele vragen die we hebben gesteld. Wat ik wel jammer vond, was dat ik nooit

meer een mailtje terug heb gekregen van dr. Remko Detz, die de meetgegevens en

grafieken van het proefje dat hij die dag had gedaan (waar wij bij aanwezig waren)

zou opsturen.

Terugkijkend op het traject van het profielwerkstuk vind ik dat het goed is verlopen.

Voor een volgende keer zou ik veel hetzelfde doen. Wat beter zou kunnen, is het

beter en sneller afbakenen van ons onderzoeksgebied; in de trant van het formuleren

van een algemene onderzoeksvraag bij dit profielwerkstuk. Dit was een van de

problemen waar we ook daadwerkelijk tegenaan zijn gelopen. Een van de gevolgen

hiervan was dat we aan het begin van het traject tijd hebben gestopt in artikels,

bijvoorbeeld het Nature artikel dat betrekking had op een onderzoeksgroep van

RUG, wat achteraf niet nodig was voor ons profielwerkstuk.

Ik verwachtte dat het profielwerkstuk veel werk zou zijn, zeker met een complex en

niet zo standaard onderwerp als kunstmatige fotosynthese. Ik had verwacht dat er

meer begeleiding zou zijn van mijn profielwerkstuk-begeleidster, Sonja

Schoenmakers, maar dat bleek uiteindelijk veel minder te zijn. Ze heeft goede

feedback gegeven wanneer we er om vroegen, maar heeft zich gedurende het

proces niet echt met ons werk bemoeid. Verder moet ik zeggen dat ik de complexiteit

van een aantal zaken heb onderschat, zoals hoofdstuk 1 Natuurlijke fotosynthese.

Er komt bij fotosynthese namelijk heel wat meer kijken dan het globale verhaal dat

we in 5VWO bij biologie hebben gehad.

Jin

Ik ken Lucy al sinds ik op het Dominicus College zit en ik wist dat wij goed konden

samenwerken. We werken beiden hard en komen onze afspraken goed na. Ik wist

dus dat ik aan Lucy een goede partner had. Over het algemeen vind ik dat we trots

kunnen zijn op dit profielwerkstuk. Het schrijven hiervan is zonder grote obstakels

verlopen.

Evaluatie

40

Ook bij dit project is onze samenwerking goed verlopen. Natuurlijke waren er af en

toe meningsverschillen, maar die zijn over het algemeen goed opgelost. De

taakverdeling, zoals ook in Bijlage A Plan van Aanpak staat beschreven, was

duidelijk en ieder heeft zich hier ook netjes aan gehouden. Vooral in de laatste dagen

had ik toch wel het idee dat ik net wat meer had gedaan. Misschien kwam dit doordat

de lay-out en de statistiek in het praktijkonderzoek wat meer tijd vergde dan ik had

verwacht. We hebben veel apart gewerkt (dit is ook in Bijlage B Logboek te zien). Ik

had zelf liever wat meer contact gehad, ook met onze begeleidster. Doordat we voor

het grootste gedeelte apart hebben gewerkt, wist ik ook niet altijd even goed wat

Lucy aan het uitwerken was of hoe ver ze was met haar deel. Dit vond ik wat minder

prettig, omdat ik het fijn vind om precies te weten hoe we ervoor staan. Wel hadden

we afgesproken om alles wat we hadden qua documenten en bronnen op OneDrive

met elkaar te delen. Verder hebben we elkaars stukken kritisch bekeken en

verbeterd.

Vanwege het gekozen onderwerp moest er snel contact gezocht worden met externe

instanties. Dit is dan ook een van de eerste dingen die we gedaan hebben. Ik vond

dit erg fijn, want hierdoor kreeg ons profielwerkstuk wat meer vorm. Professor Joost

Reek reageerde al snel en stelde voor om een dagje op bezoek te komen en in het

laboratorium uitleg te krijgen. Deze dag vond ik erg leuk en leerzaam. Iedereen die

we daar ontmoet hadden, was heel vriendelijk en ze waren allen erg bereid om ons

mee te laten kijken en uitleg te geven.

Ons onderwerp en de precieze opzet van ons profielwerkstuk waren in het begin nog

erg onduidelijk. Hierdoor was het moeilijk een tijdsplanning te maken, we hadden

namelijk nog geen duidelijk idee van wat we gingen doen. Dit is ook een van de

oorzaken dat we het grootste gedeelte van het profielwerkstuk in de laatste twee

maanden hebben geschreven. Een andere oorzaak is het late praktijkonderzoek. We

zijn vrij laat begonnen aan het plannen en uitvoeren van het proefje. Het eerste

proefje was mislukt, waardoor we een beetje in de knoop kwamen met de tijd.

Gelukkig hebben we, met behulp van de TOA’s, nog op tijd een ander proefje kunnen

uitvoeren. Een volgende keer zou ik dus wat eerder beginnen met het

praktijkonderzoek. Ook zou ik zo snel mogelijk beginnen met het uitwerken van de

deelvragen. Ik denk dat ik dit laatste een beetje heb laten liggen totdat ik echt moest

beginnen.

Evaluatie

41

Ik had van te voren verwacht dat het profielwerkstuk veel tijd en moeite zou kosten.

Ik had natuurlijk bij mijn zus al gezien hoe het schrijven ervan in zijn werk ging. Ik

vond het onderwerp dat we hadden gekozen erg interessant, dus ik had wel zin om

aan het profielwerkstuk te werken. Ik had ook verwacht dat het lastig zou gaan

worden, al helemaal toen we hadden besloten om kunstmatige fotosynthese als

onderwerp te kiezen. Eigenlijk zijn al mijn verwachtingen wel uitgekomen. Door vrij

laat te zijn begonnen aan zowel het praktijkonderzoek als het literatuuronderzoek

(met name het uitschrijven van de hoofdstukken) hebben we het onszelf, naar mijn

mening, wat moeilijker gemaakt dan nodig was. In zijn geheel vond ik het erg

interessant en een goede (leer)ervaring.

Afkortingenlijst

42

Afkortingenlijst

FTO Fluorine doped Tin Oxide

ITO Indium Titaan Oxide

MIT Massachusetts Institute of Technology

MOF metal-organic framework

NWO Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek

PEC foto-elektrochemische cel (photo-electrochemical cell)

PSI fotosysteem I (photo system I)

PSII fotosysteem II (photo system II)

SFE solar-energy to fuel-energy conversion efficiency

TCO Transparent Conductive Oxide

UvA Universiteit van Amsterdam

Verantwoording

43

Verantwoording

Internetbronnen

Bergkamp, B. (2011). Fotosynthese op celniveau. Laatste raadpleging: 7 februari

2016, http://wetenschap.infonu.nl/anatomie/75453-fotosynthese-op-celniveau.html

Chandler, D. L. (30 september 2011). Artificial leaf’ makes fuel from sunlight. Laatste

raadpleging: 16 februari 2016, http://news.mit.edu/2011/artificial-leaf-0930

DigInfo TV (24 januari 2013). Artificial Photosynthesis System as efficient as plants

and can reduce CO2 levels. Laatste raadpleging: 20 februari 2016,

http://www.diginfo.tv/v/12-0223-r-en.php

Green Car Congress (30 september 2011). Researchers from MIT and Sun Catalytix

develop an artificial leaf for solar water splitting to produce hydrogen and oxygen.


http://www.greencarcongress.com/2011/09/researchers-from-mit-and-sun-catalytix-

develop-on-artificial-leaf-for-solar-water-splitting-to-produce-hydrogen-and-

oxygen.html

ManSolar (2016). Het werkingsprincipe van de kleurstof zonnecel. Laatste

raadpleging: 10 februari 2016,


Monash University (17 augustus 2015). Monash research sets new record for

generation of fuels from sunlight. Laatste raadpleging: 22 februari 2016,

http://monashsciencenews.blogspot.nl/2015/08/monash-research-sets-new-record-

for.html

Panasonic Headquarters News (30 juli 2012). Panasonic Develops Highly Efficient

Artificial Photosynthesis System Generating Organic Materials from Carbon Dioxide

and Water. Laatste raadpleging: 22 februari 2016,

http://news.panasonic.com/press/news/official.data/data.dir/2012/07/en120730-

5/en120730-5.html

http://wetenschap.infonu.nl/anatomie/75453-fotosynthese-op-celniveau.html

http://news.mit.edu/2011/artificial-leaf-0930

http://www.diginfo.tv/v/12-0223-r-en.php

http://www.greencarcongress.com/2011/09/researchers-from-mit-and-sun-catalytix-develop-on-artificial-leaf-for-solar-water-splitting-to-produce-hydrogen-and-oxygen.html




http://monashsciencenews.blogspot.nl/2015/08/monash-research-sets-new-record-for.html






Verantwoording

44

Wetenschappelijke artikelen

Bonke, S. A. & Wiechen, M. & MacFarlane, D. R. & Spiccia, L. (11 augustus 2015)

‘Renewable fuels from concentrated solar power: towards practical artificial

photosynthesis’. Energy Environ Sci.,2015, 8, 2791. Laatste raadpleging: 20 februari

2016, http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/ee/c5ee02214b#!divAbstract

Cox, C. R. & Lee, J. Z. & Nocera, D. G. & Buonassisi, T. (15 september 2014). ‘Ten-

percent solar-to-fuel conversion with nonprecious materials’. Chemistry. Laatste



O'Regan, B. & Grätzel, M. (24 oktober 1991). ‘A low-cost, high-efficiency solar cell

based on dye-sensitized colloidal TiO2 films’. Nature 353, 737-740. Laatste



Reece, S. Y. & Hamel, J. A. & Sung, K. & Jarvi, T. D. & Esswein, A. J. & Pijpers, J. J.

H. & Nocera, D. G. (29 september 2011). ‘Wireless Solar Water Splitting Using

Silicon-Based Semiconductors and Earth-Abundant Catalysts’. Science. Laatste



Boeken

Beurkens, Simone M. J. H. (z.d.). ‘Het systeem aarde. Biosfeer; fotosynthese in de

koolstofcyclus’. PUC of Science (Radboud Universiteit): Een Machtig Avontuur,

module 8. Nijmegen: Radboud Universiteit

Bos, A. & Gommers, M. & Jansen, A. & Kalverda, O. & Rouw, T. de, & Smits, G. &

Waas, B. & Westra, R. (2012). 5a vwo biologie voor jou leeropdrachtenboek: §1.4

Koolstofassimilatie. ’s-Hertogenbosch: Malmberg.

Bouwens, R.E.A. & Groot, P.A.M. de, & Kranendonk, W. & Lune, J.P. van, & Prop-

v.d.Berg, C.M. & Riswick, J.A.M.H. van, & Westra, J.J. (2013). BINAS.

Groningen/Houten: Noordhoff Uitgevers bv.





Verantwoording

45

Man Solar B.V., 6e volledig herziene en uitgebreide druk (juli 2015). Man Solar Artikel

No 3000, 2000, 1000.

Purchase, R. & Vriend, H. de, & Groot, H. de, (2015). Kunstmatige fotosynthese:

Voor de omzetting van zonlicht naar brandstof. Wageningen: Propress

Video’s

DigInfo TV (23 januari 2013). Artificial Photosynthesis System as efficient as plants

and can reduce CO2 levels #DigInfo. Laatste raadpleging: 22 februari 2016,


Illustraties

ManSolar (2016). Het werkingsprincipe van de kleurstof zonnecel. Laatste



Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings. Laatste raadpleging: 22

februari 2016,

http://bioserv.fiu.edu/~walterm/GenBio2004/chapter8_photosynthesis/photosynthetic

_process_download.htm

The Future of Things. Improved way for creating hydrogen developed. Laatste

raadpleging: 23 februari 2016, http://thefutureofthings.com/3715-improved-way-for-

creating-hydrogen-developed/

Yourbsix, Porfyrine. Laatste raadpleging: 23 februari 2016,

http://www.yourbsix.nl/overige-voedingsstoffen/

Overige bronnen

Experimenten

Universiteit van Amsterdam. Het bouwen van een Grätzel cel (uitgevoerd op 25

november 2015) onder leiding van dhr. dr. Rene M. Williams.








Verantwoording

46

Laboratorium bezoek

Universiteit van Amsterdam, Laboratorium van prof. Joost Reek. Onderzoeksgroep

die werkt aan kunstmatige fotosynthese als onderdeel van de groep BioSolar Cells

(bezocht op woensdag 25 november 2015). Bekeken: onderdelen in het laboratorium

waaraan Remco Detz, René Becker, Simon Mathew werken.

Bijlagen

47

Bijlagen

A. Plan van aanpak

B. Logboek

C. Verslag Bezoek BioSolar Cells

D. t-toetsen

Bijlagen

48

A. Plan van aanpak



Scheikunde, natuurkunde, biologie

Sonja Schoenmakers (SCO)

prof. dr. Joost N. H. Reek (BioSolar Cells), UvA

Onderzoeksvraag

Hoe maakt BioSolar Cells brandstof door middel van chemische reacties op basis

van natuurlijke fotosynthese en hoe verschilt dit proces van natuurlijke fotosynthese?

Deelvragen

» Hoe werkt natuurlijke fotosynthese?

o Wat is natuurlijke fotosynthese?

o Hoe werkt de lichtreactie?

o Hoe werkt de donkerreactie?

» Hoe gaat BioSolar Cells om met kunstmatige fotosynthese?

o Wat is kunstmatige fotosynthese?

o Wie is BioSolar Cells en wat doen ze precies?

o Welke reacties vinden in hun systeem plaats?

» Wat is het verschil tussen natuurlijke fotosynthese en kunstmatige

fotosynthese van BioSolar Cells?

» Praktijkonderzoek: hoe staat de geleiding van de elektronen in een Grätzel

cel onder invloed van verschillende kleuren licht (paars, blauw, groen, geel en

rood licht)?

» Hoe gaan MIT, Panasonic en Monash University om met kunstmatige

fotosynthese?

Hypothese/verwachtingen

-

Werkwijze/methode

Wij gaan onderzoek doen met behulp van internet, boeken en wetenschappelijke

artikelen om te kijken wat de nieuwste ontwikkelingen zijn op gebied van kunstmatige

fotosynthese. Daarnaast proberen we contact op te nemen met de UvA en hopen we

van hen informatie te kunnen krijgen. Ook gaan we een bezoek brengen aan

Bijlagen

49

BioSolar Cells op de UvA om hun onderzoek te bekijken en te bestuderen. We willen

graag begrijpen hoe de onderzoekers van BioSolar Cells hun onderzoek hebben

uitgevoerd. Verder zouden we graag een praktijkonderzoek doen dat aansluit op hun

onderzoek. We willen

Informatiebronnen/hulpmiddelen

Internetwebsites, wetenschappelijke artikelen van voorgaande onderzoeken en

boeken. Ook de informatie die bij het bezoek aan BioSolar Cells op 25 november

2015 is opgedaan zal worden gebruikt.

Presentatievorm verslag

Schriftelijk verslag

Presentatievorm presentatieavond

PowerPoint presentatie met foto’s of afbeeldingen met mondelinge toelichting.

Taakverdeling

De deelvragen, het verwerken van resultaten van onderzoeken, het schrijven van het

profielwerkstuk zelf en het maken van de presentatie gaan we apart uitwerken en

doen. Deze onderdelen verdelen we onderling en we zullen ze tussendoor met

elkaar bespreken. De proefjes en het contact met externe instanties willen we zo veel

mogelijk samen doen.

- Lucy: hoofdstuk 1, 2 (behalve 2.1), bijlage C Verslag bezoek BioSolar Cells,

conclusie, evaluatie

- Jin: hoofdstuk 2.1, 3, 4, voorwoord, inleiding, discussie, bijlage D T-toetsen,

evaluatie, lay-out

Tijdplan

Activiteit Hoe lang

Wanneer?

(maand,

weeknummer,

dagdeel)

Wie?

Plan van aanpak inleveren - 22 september 2015 Lucy, Jin

Externe instanties e-mailen 30 min Weekend van week

39

Lucy, Jin

(evt. apart)

Bijlagen

50

Wetenschappelijk artikel (uit Nature van de

RUG) bestuderen (en vragen erbij

bedenken)

4 uur Week 39 (voor het

contacteren van

externe instanties)

Lucy, Jin

(apart)

(Meer) informatie over beide onderzoeken

(van de RUG en van BioSolar Cells)

opzoeken en verwerken

4 uur Week 39 Lucy, Jin

(apart)

Verdeling deelvragen (afhankelijk van advies

PWS-begeleider en externe instanties)

30 min Week 40 Lucy, Jin

Workshop onderzoeksvaardigheden 3 1/3 uur Mixweek 1 (week 47) Lucy, Jin

Uitwerken deelvragen (conceptversie

schrijven)

30 uur Vanaf week 40 tot

inleveren eindversie

Lucy, Jin

(apart)

Bezoek UvA/BioSolar Cells 8 uur 25 november 2015 Lucy, Jin

Concept versie inleveren - 1 december 2015 Lucy, Jin

Feedback concept versie ontvangen en

verwerken (tot eindversie)/eindversie

schrijven

30 uur December, januari,

begin februari

Lucy, Jin

(evt. apart)

Analyseren en verwerken van resultaten

onderzoek van BioSolar Cells (ter

voorbereiding en vergelijking van eigen

proefjes)

2 uur (valt binnen

hoofdstuk 2/3)

Januari, februari Lucy, Jin

(evt. apart)

Werkwijze eigen proefjes opstellen 3 uur (valt binnen

hoofdstuk 4)

Voor 18 januari 2016 Lucy, Jin

(evt. apart)

Eigen proefje doen (variabele: temperatuur) 2 uur 18 januari 2016 Lucy, Jin

Eigen proefje doen (variabele: temperatuur) 2 uur 3 februari 2016 Lucy, Jin

Eigen proefje doen (variabele: kleur licht) 1,5 uur 18 februari 2016 Lucy, Jin

Gegevens en resultaten van eigen proefjes

analyseren en verwerken

8 uur Vanaf 18 januari

2016

Lucy, Jin

(evt. apart)

Vergelijken van onderzoeksresultaten (van

eigen onderzoek en onderzoek van de

universiteit)

4 uur (valt binnen

hoofdstuk

3/Discussie)

Februari Lucy, Jin

(evt. apart)

Eind versie inleveren - 23 februari Lucy, Jin

Workshop presenteren 2 uur en 40

minuten

3 maart 2016 Lucy, Jin

Bijlagen

51

Presentatie maken 15 uur Eind februari, begin-

midden maart

Lucy, Jin

(evt. apart)

Presentatie - 17 maart Lucy, Jin

Bijlagen

52

B. Logboek



Scheikunde, natuurkunde, biologie

Sonja Schoenmakers (SCO)

prof. dr. Joost N. H. Reek (BioSolar Cells), UvA

Datum Tijd Jin Tijd Lucy Plaats* Activiteit Opmerkingen/afspraken

eind 5v Best wel

lang

Best wel

lang

Bij Lucy

thuis

Overleg onderwerp

13-5-

2015

1 uur

1 uur School Bespreking mogelijkheden

onderwerp met SCO

30-8-

2015

1 uur Bij Lucy

thuis

Research op internet nuttige websites op

WhatsApp

4-9-

2015

2 uur Bij Lucy

thuis

Internet: informatie websites

verwerken

6-9-

2015

1,5 uur Bij Lucy

thuis

Internet: informatie websites

verwerken

6-9-

2015

3 uur Bij Jin thuis Artikelen/websites lezen en

samenvatten

13-9-

2015

1,5 uur Bij Jin thuis Artikelen/websites lezen en

samenvatten

13-9-

2015

1 uur Bij Lucy

thuis

Internet: extra informatie

websites verwerken

14-9-

2015

1,5 uur 1,5 uur VWO

mediatheek

Informatie uitwisselen, klad

deelvragen formuleren

Nog door te hakken

knopen na gesprek met

SCO

16-9-

2015

30

minuten

30

minuten

Op school Bespreken plan van aanpak

met SCO

Aantal zaken (o.a.

hoofdvraag, werkwijze)

afhankelijk van het contact

met de externe instantie

(UvA of RUG)

Bijlagen

53

17-9-

2015

1 uur 1 uur HAVO

mediatheek

Formuleren hoofdvraag,

deelvragen

18-9-

2015

2 uur 2 uur Thuis (via

skype)

Invullen formulier 'Plan van

aanpak'

Document gemaild naar

SCO voor feedback

26-9-

2015

3 uur Bij Lucy

thuis

Wetenschappelijk artikel van

de RUG uit Nature bestuderen

27-9-

2015

1 uur Bij Jin thuis Wetenschappelijk artikel van


28-9-

2015

1 uur 1 uur Op school Wetenschappelijk artikel van


en e-mail externe instanties

opstellen

SCO gemaild

2-10-

2015

1 uur 1 uur Op school Informatie RUG bestuderen en

informatie over onderzoek UvA

opzoeken

4-10-

2015

1 uur Bij Lucy

thuis

Opstellen e-mail aan prof. Dr.

Joost Reek (van UvA)

Opgeslagen in gedeelde

map in OneDrive

12-10-

2015

1,5 uur 1,5 uur Op school Mailtjes naar externe instanties

verbeterd en verstuurd en

deelvragen verdeeld. Artikelen

gerelateerd aan artikel van

RUG gezocht/gevonden

23-10-

2015

15 min 15 min Op school Reactie mail (van UvA)

schrijven en versturen.

27-10-

2015

1,5 uur 1,5 uur Bij Jin thuis Telefonisch gesprek Joost

Reek (UvA), mailtje sturen

SCO en BEQ, info opzoeken

op internet over onderzoek van

UvA (n.a.v. telefoongesprek)

Het is mogelijk om een

keer bij UvA op bezoek te

gaan en een artificial leaf

volgens hun principes te

bouwen (of om er een zo

ver mogelijk te bouwen als

mogelijk is in een dag)

4-11-

2015

30 min 30 min Op school Gesprekje met SCO over

telefoongesprek met Joost

Bijlagen

54

Reek en bezoek aan UvA.

Mailtje aan/gesprek met

meneer Plantaz (datum vragen

bezoek aan UvA)

4-11-

2015

2,5 uur Bij Lucy

thuis

Opstellen e-mail aan prof.

Joost Reek voor een afspraak

(hopelijk donderdag 19 nov) en

voorbereidingsmateriaal.

Doorgestuurd artikel van Jin

gelezen over kunstmatige

fotosynthese door Panasonic.

Opzet (conceptversie)

profielwerkstuk gemaakt en

gewerkt aan eigen deelvraag

(natuurlijke fotosynthese).

Opgestelde e-mail

opgestuurd naar Jin zodat

ze evt dingen toe kan

voegen.

4-11-

2015

t/m 11-

11-2015

30 min 30 min Bij Jin thuis

en op

school

E-mail contact met prof. Joost

Reek; e-mails opstellen en

verzenden

17-11-

2015

30 min Bij Lucy

thuis

Doornemen boekje PUC

module 8 over lichtreactie (met

name antennesystemen)

natuurlijke fotosynthese

Aantekeningen gemaakt

op papier, deze dienen

digitaal uitgewerkt te

worden

17-11-

2015

1,5 uur Radboud

Universiteit

Huygensge

bouw

Doornemen boekje

"kunstmatige fotosynthese" (op

aanraden van prof. Reek),

maar paragraaf 5

overgeslagen (bijdrage van

zonnebrandstoffen aan onze

toekomstige

energievoorziening.

Aantekeningen erbij gemaakt.

Dient digitaal uitgewerkt te

worden

18-11-

2015

3 1/3 uur 3 1/3 uur Op school Lezingen/workshops PWS

dag: inleiding, Engelstalige

PWS-dag op school

Bijlagen

55

bronnen, wetenschappelijke

paper schrijven.

Lucy: randvoorwaarden

wetenschap

Jin: statistiek

18-11-

2015

3,5 uur 3,5 uur Op school Werken aan conceptversie:

structuur (met deelvragen). E-

mail aan SCO. Bespreken

boekje 'Kunstmatige

fotosynthese'

PWS-dag op school

22/24-

11-2015

1,5 uur Bij Jin

thuis/op

school

Boekje 'Kunstmatige

fotosynthese' bestuderen

25-11-

2015

8 uur 8 uur UvA Bezoek aan BioSolar Cells

(UvA)

27-11-

2015

4,5 uur Bij Jin thuis Werken aan conceptversie en

logboek bijwerken, lay-out en

inhoud

28-11-

2015

4 uur Bij Lucy

Thuis

Terugkijken RTL-Z over UvA

(http://www.rtlxl.nl/#!/toekomst

makers-302504/fb60356e-

0233-3b8a-950d-

56301c7fa09f) op aanraden

van hoogleraar na bezoek

UvA, uitbreiden conceptversie:

eigen onderzoek. Verder

werken aan deel over

lichtreactie (in planten)

30-11-

2015

2 uur 2 uur Op school Werken aan conceptversie:

onderzoeksvraag formuleren,

bronvermelding verbeteren

30-11-

2015

3,5 uur Bij Jin thuis Werken aan conceptversie:

opmaak verbeteren

(inhoudsopgave, koptekst),

http://www.rtlxl.nl/#!/toekomstmakers-302504/fb60356e-0233-3b8a-950d-56301c7fa09f




Bijlagen

56

bronnen

toevoegen/verbeteren, bijlage

'plan van aanpak' en

'verwerking bezoek UvA'

toevoegen en aanpassen aan

opmaak, spelling-/grammatica

controle

1-12-

2015

2,5 uur Op school Werken aan conceptversie:

kopjes bijwerken/toevoegen,

bijlage 'logboek' toevoegen en

bijwerken, laatste spelling-

/grammatica controle

Conceptversie printen en

inleveren (digitaal en op

papier)

16-12-

2015

1 uur 1 uur Op school Commentaar op conceptversie

bestuderen en conceptversie

bijwerken (plan van aanpak,

logboek en praktijkonderzoek)

17-12-

2015

1 uur en

15 min

1 uur en

15 min

Bij Lucy

thuis en bij

Jin thuis

Afspraken maken: Jin

hoofdstuk 4 en plan van

aanpak voor praktijkonderzoek

af; Lucy hoofdstuk 1 en

verslag bezoek UvA af.

Verdeling hoofdstukken

gemaakt (zie apart bestand).

Overleg over

praktijkonderzoek en verslag

bezoek UvA.

30-12-

2015

2,5 uur Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 3 en 4

30-12-

2015

2 uur Bij Lucy

thuis

Werken aan hoofdstuk 1

31-12-

2015

1 uur Bij Lucy

thuis

Theorie lichtabsorptie

bestuderen (hoofdstuk 1)

3-1-

2016

1 uur Bij Lucy

thuis

Werken aan hoofdstuk 1

Bijlagen

57

15-1-

2016

30 min Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 3

16-1-

2016

30 min Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 3,

logboek bijwerken en plan van

aanpak bijwerken

18-1-

2016

2 uur 2 uur Op school Proefje deel 1 (Grätzel cel

gereed maken)

afspraak woensdag 3

februari 2016 proefje deel

2 doen

3-2-

2016

2 uur 2 uur Op school Proefje deel 2 (Grätzel cel

gereed maken en

stroomgeleiding bij

verschillende temperaturen

meten)

7-2-

2016

1 uur Bij Lucy

thuis

Uitwerken globaal cyclische

fotofosforylering natuurlijke

fotosynthese (h.1)

10-2-

2016

4,5 uur Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 3,

logboek bijwerken

11-2-

2016

2 uur Bij Lucy

thuis

Energie elektronen lichtreactie

en niet cyclische

fotofosforylering (h.1)

12-2-

2016

1 uur Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 4

(inleiding + 4.1 MIT)

12-2-

2016

1 uur Bij Lucy

thuis

Elektronentransportketen

lichtreactie in detail (h.1)

13-2-

2016

40

minuten

Bij Lucy

thuis

Informatie Amsterdam ordenen

14-2-

2016

2 uur Bij Lucy

thuis

Werking antennesystemen

globaal (hoofdstuk 1)

15-2-

2016

2 uur Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 3 (3.4

hypothese en 3.2 intermezzo:

de Grätzel cel)

Bijlagen

58

16-2-

2016


MIT)

17-2-

2016

3,5 uur Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 4 (4.1

MIT en 4.2 Panasonic

Corporation) en hoofdstuk 3

(o.a. opmaak) en bijwerken

plan van aanpak (tijdsplan)

18-2-

2016

40

minuten

40

minuten

Op school

(lokaal

A103)

Proefje 2 doen (variabele kleur

licht)

18-2-

2016

1 uur Op school Verwerken gegevens proefje

(werken aan hoofdstuk 3)

19-2-

2016

3 uur Bij Lucy

thuis

Hoofdstuk 1 en 2

20-2-

2016


Panasonic Corporation) en

hoofdstuk 3 (statistiek, 3.5 en

3.6)

20-2-

2016

4 uur 4 uur Bij Lucy

thuis

Bespreken uitgewerkte delen,

apart verder werken aan

eindversie

21-2-

2016

8 uur Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 3 (en

een beetje aan hoofdstuk 4)

21-2-

2016

5 uur Bij Lucy

thuis

Werken aan Bijlage C Verslag

bezoek BioSolar Cells

22-2-

2016

2 uur Bij Lucy

thuis

Werken aan Bijlage C Verslag

bezoek BioSolar Cells

22-2-

2016

4,5 uur Bij Jin thuis Werken aan hoofdstuk 3,

hoofdstuk 4, inleiding en

eindversie bijwerken

22-2-

2016

5 uur 5 uur Bij Jin thuis Werken aan eindversie (apart)

Voorwoord, hoofdstuk 4, 2.1,

Bijlagen

59

bijwerken eindversie (Jin)

Hoofdstuk 2, bijlage C Verslag

bezoek BioSolar Cells (Lucy)

22-2-

2016

5,5 uur Bij Lucy

thuis

Verslag Amsterdam afmaken

Hoofdstuk 2 (inleiding, 2.2, 2.3,

2.4, 2.5) Lezen en van

commentaar voorzien:

voorwoord, hoofdstuk 3 en

hoofdstuk 4

23-2-

2016

2 uur Op school Evaluatie, Commentaar op

inleiding, Conclusie,

Tekeningen /figuren

23-2-

2016

3 uur Op school Eindversie bijwerken,

Discussie en evaluatie

23-2-

2016

4 uur Bij Jin thuis Eindversie bijwerken, printen,

inbinden en inleveren

Totaal tijdsbesteding Jin: 98 uur en 30 minuten

Totaal tijdsbesteding Lucy: 91 uur en 10 minuten

*

Bij Lucy thuis

Godfried Bomansstraat 26

6543 JA Nijmegen

Bij Jin thuis

Anna Blamanlaan 8

6532 SP Nijmegen

Op school

Dominicus College

Energieweg 93

6541 CZ Nijmegen

Bijlagen

60

UvA

Science Park 904

1098 XH Amsterdam

Radboud Universiteit Huygensgebouw

Heyendaalseweg 135

6525 AJ Nijmegen

Bijlagen

61

C. Verslag Bezoek BioSolar Cells

Op 25 november 2015 hebben wij (Jin en Lucy) het laberatorium van prof. dr. Joost

N. H. Reek van de Universiteit van Amsterdam29. Het maken van foto’s is

goedgekeurd door de professor en zijn desbetreffende collega’s.

Prof. dr. Joost N. H. Reek

We begonnen de dag in het kantoor van professor Joost Reek, waar hij ons een

inleiding gaf over waar zijn onderzoeksgroep mee bezig is: het ontwikkelen van een

kunstmatig blad om kunstmatige fotosynthese op gang te brengen.

Het kunstmatige blad bestaat uit twee componenten. Het eerste component zorgt

voor de drijvende kracht die nodig is om elektronen (van water) los te maken uit de

gebonden toestand. Hiervoor wordt chromofoor gebruikt: chromofoor absorbeert

licht(energie), wat gebruikt wordt om de elektronen energierijk en dus ook los te

maken (elektronen komen in een hoger energieniveau). Het chromofoor zit via een

katalysator vast aan TiO2, wat functioneert als halfgeleider. De katalysator die het

splitsen van water katalyseert moet dus snel werken onder een geschikt potentiaal.

Problemen hierbij zijn:

- De koppeling tussen het chromofoor en de katalysator. Noodzakelijk om

lichtenergie over te brengen naar het water.

- Het terugvallen van het elektron: als het elektron niet genoeg energie bevat

om de titaandioxide te bereiken valt het elektron terug. Netto vindt er dan

geen reactie plaats.

In de natuur wordt de katalysator hydrogenase gebruikt, dat onder andere bestaat uit

ijzer-atomen (Fe). Op de UvA wordt geëxperimenteerd met andere katalysator-

complexen, die in plaats van ijzer iridium (Ir) of nikkel (Ni) bevatten. Dit is omdat

organisch materiaal het ijzer in de katalysator beïnvloedt en deze invloed er bij

kunstmatige fotosynthese niet is. Verder heeft fotosynthese in de natuur een laag

rendement.

29 Science Park 904, Amsterdam, Nederland

Bijlagen

62

Aandachtspunten katalysator:

- Overlappende orbitalen door bindingen. Orbitalen geven de kans aan waar

een elektron zich kan bevinden. Dit is belangrijk, want een elektron moet zich

in deze reactie wel goed kunnen verplaatsen.

- Stabiliteit van de katalysator.

- Het ligand (in dit geval fosfaat), dat de katalysator bindt aan het chromofoor.

Deze binding heeft invloed op de werking van de katalysator met betrekking

tot duurzaamheid en geleiding.

Dhr. dr. Remko J. Detz

Na de inleiding van prof. dr. Joost Reek gingen we het laboratorium in. Hier werden

we begeleid door Remko Detz.

We begonnen bij het binden van de kleurstof aan een glasplaatje. Dit vormt het licht

vangende component van het kunstmatige blad. Dit deel functioneert als en

elektrode in de totale reactie.

Op het glasplaatje zit aan één kant FTO, wat dat deel van het plaatje geleidend

maakt. Op het plaatje aan de kant van de FTO zit een blauwachtige katalysator

gebonden. Het glas met de FTO en de katalysator wordt FTO-glass genoemd.

Aan deze katalysator worden de

kleurstof-moleculen gebonden. In

de afbeelding zijn reageerbuizen

te zien met een oranje vloeistof.

Deze vloeistof was een oplossing

van de moleculen porfyrine en

platina (Pt), die samen een

chromofoor vormen (Figuur 11).30

30 foto gemaakt door Jin Smeding tijdens bezoek aan BioSolar Cells op de UvA

Figuur 10 Opstelling onderzoek van dhr. Dr. Remko Detz.30

Bijlagen

63

31

Het binden van de kleurstofmoleculen aan het plaatje gaat vanzelf: na een tijd in de

reageerbuis binden de kleurstofmoleculen aan de katalysator. In figuur 10 zijn een

aantal reageerbuizen te zien.

Na een half uur worden de plaatjes uit de reageerbuizen gehaald en nagespoeld met

methanol, waarna alleen de aangehechte moleculen aan het plaatje blijven zitten. Na

het droogblazen kan het plaatje gebruikt worden om metingen te doen.

Om te meten wordt de elektrode verbonden aan een draadje. Dit gebeurt door een

beetje oranje kleurstof van het plaatje af te krabben, waarbij glinsterend oranje

poeder los komt en een draadje op het plaatje te bevestigen met behulp van

aluminiumfolie en plakband, opdat er gemeten wordt per 1 cm2 waar direct mee

gerekend kan worden.

31 getekend door Lucy Tao op 23 februari 2016, naar voorbeeld beschrijving van Remko Detz

op UvA

Figuur 11 Structuurformule van platina gebonden in het

midden van een porfytinemolecuul.31

Bijlagen

64

De meetopstelling bestaat uit twee reageerbuizen: de ene reageerbuis bevat het net

gemaakte plaatje, de andere reageerbuis bevat een referentie-elektrode. Beide

plaatjes in de reageerbuizen zitten in een fosfaat-bevattende vloeistof. Fosfaat

functioneert als buffer (pH=7). Dit is nodig, want bij het splitsen van water komt

behalve O2 ook H+ vrij.

Tegen deze twee reageerbuizen wordt een lamp (LCS-100) gehouden die dezelfde

golflengten bevat als zonlicht. Uiteraard werd de rest van de omgeving van de

reageerbuizen verduisterd. De wens is om een zo hoog mogelijke photocurrent

(stroom ten gevolge van licht) te meten. Er wordt nog geëxperimenteerd met

verschillende voltages (lichtbron). De gegevens (stroom en spanning) worden

gemeten en direct verwerkt met GPES-Manager (een computerprogramma).

Een aantal gegevens:

- Bij een minimum van 0,6V is het thermodynamisch mogelijk om H2O te

oxideren. In de praktijk (aan de Universiteit van Amsterdam) is de minimum

spanning 1,23V nodig voor het splitsen van water.

- Bij standaardvoltage kunnen er twee dingen gebeuren bij de meetresultaten

- Curve van de grafiek in GPES-Manager gaat naar beneden, wat indiceert dat

er een reductie in plaats van een oxidatiereactie plaatsvindt.

Curve van de grafiek in GPES-Manager

gaat omhoog naar 3µA.

Er wordt geprobeerd een minimaal

10mA bij 0,4V te meten

De katalysator gaat snel kapot; hier

wordt nog onderzoek aan gedaan. Ideaal

zou zijn als er één molecuul kon worden

ontwikkeld met ankergroep, chromofoor

en katalysator in één (Figuur 12).

32

32 getekend door Lucy Tao op 23 februari 2016, naar voorbeeld tekening Remko Detz tijdens

bezoek UvA

Figuur 122 Samenstelling ideaal molecuul.32

Bijlagen

65

Dhr. René Becker

René Becker specialiseert zich in de antennesystemen. De

antennesystemen bestaan uit een aantal onderdelen. De

onderdelen waar dhr. Becker onderzoek naar doet zijn:

- Porfyrines

- Metalen

- Katalysator voor de halfreactie 2 𝐻+ + 2 𝑒− → 𝐻2

Een metal-organic framework (MOF) bestaat uit een porfyrine

en een metaal.

Een porfyrine bestaat uit vier pyrroolringen (met restgroepen)

die cyclisch aan elkaar zijn gekoppeld met de stikstof-groepen

naar de binnenkant gericht. Als de –NH groepen het H-atoom

verliezen, kunnen de stikstof-atomen aan een gezamenlijk

metaalion binden in de centrale holte. Door zowel de porfyrines

als metalen te variëren kunnen er veel verschillende MOF-

structuren gemaakt worden.

De MOFs zijn geïnspireerd uit de natuur: ook bij natuurlijke

fotosynthese komen MOFs voor. Zo heeft chlorofyl een

magnesium-ion gebonden in het centrum van de porfyrine.

33

33

Yourbsix, Porfyrine. Laatste raadpleging: 23 februari 2016, http://www.yourbsix.nl/overige-

voedingsstoffen/

Figuur 133 Opbouw porfyrine.33



Bijlagen

66

Op het moment van ons bezoek deed dhr. Becker onderzoek naar het metaal

zirkonium (Zr), wat een stabiele binding aan ging in de porfyrine. Om de MOF met Zr

te maken, maakte dhr. Becker een oplossing van ZrCl4, porfyrines (in dit geval

TCPP: tetrakis(4-carboxyphenyl)porphyrin en hulpstoffen. Dit mengsel stopte hij in de

oven. Bij de verhitting vormden de moleculen netwerken en verdween het

oplosmiddel. Het resultaat wat uit de oven kwam was een donker roodbruin poeder

die onder vacuümomstandigheden kristalleren, waarna ze kunnen binden met

katalysatoren en zo antennesystemen vormen.

De katalysator die UvA gebruikt om H2 te maken is niet gebaseerd op de katalysator

de planten gebruiken, maar op een katalysator afkomstig van een bacterie die

waterstofgas, in plaats van glucose zoals planten, produceert. Dhr. Becker beschreef

de vorm de actieve centrum van deze katalysator als een vlindersysteem bestaande

uit twee ijzeratomen aan de onderkant en twee zwavelatomen aan de bovenkant. De

zwavelatomen zijn gebonden aan –NH, wat de intermoleculaire brug vormt met de

porfyrines. De cyanide-groepen (-CN) aan de onderkant van het molecuul zijn giftig

voor de mens, vandaar dat er wordt gewerkt aan een andere katalysator zonder deze

groepen (bijvoorbeeld de cyaniden vervangen door carbonylen. Hiervan zijn echter

nog geen resultaten). Op dit moment werkt UvA met een katalysator dat bestaat uit

een ijzer-zwavel cluster met daar omheen benzeenringen. 34

34 foto gemaakt door Jin Smeding tijdens bezoek aan BioSolar Cells op de UvA

Figuur 144 Structuurformule van TCPP:

tetrakis(4-carboxyphenyl)porphyrin.34

Bijlagen

67

Figuur 15 De structuurformule van de basis van hydrogenase enzyme van de bacterie om H2

te vormen.35

De reactie die dhr. Becker in gang zet gaat als volgt: net als dhr. dr. Detz heeft hij

een glasplaatje met aan één kant TCO, waaraan porfyrines in een laag zitten

gebonden. Tussen deze porfyrines zijn ook de katalysatoren gebonden. De H+, die

dhr. dr. Detz vrij heeft gemaakt, worden samen met de elektronen, die ook worden

aangevoerd van de reactie van dhr. dr. Detz, reageren in deze halfreactie tot H2.

35 getekend door Lucy Tao op 22 februari 2016 op de website https://www.emolecules.com/,

naar voorbeeld van een tekening van René Becker op 25 november 2015 te Amsterdam.

https://www.emolecules.com/

Bijlagen

68

Schematisch ziet het proces er zo uit:

Figuur 156 Schematische tekening van het vormen van waterstof.36

Simon Mathews

Simon Mathews is een Australische onderzoeker die zich in het onderzoek

specialiseert in kleurstoffen. Er zijn enorm veel verschillende kleurstoffen met

verschillende structuren, allemaal met hun eigen eigenschappen. De problemen

waar op het moment tegenaan waren gelopen hadden te maken met de volgende

eisen die de kleurstoffen moesten hebben om goed te functioneren in de kunstmatige

fotosynthese:

- Goed licht absorberen

- Goed binden aan de katalysator

- De elektronen moeten zich gemakkelijk van de kleurstof naar de katalysator

kunnen verplaatsen

- De elektronen moeten zich alleen in één richting verplaatsen

De zaak is ingewikkelder dan een willekeurig ander kleurstofmolecuul maken

vanwege de elektronendeficiëntie. Dit betekent dat er te weinig valentie-elektronen

zijn voor perfecte edelgasconfiguratie (volledige bezetting van elektronen in de

buitenste schil), waardoor de elektronen zich niet goed vrij kunnen bewegen voor de

36 getekend door Lucy Tao op 23 februari 2016, naar voorbeeld tekening René Becker UvA.

Bijlagen

69

redoxreactie. Verder beïnvloeden de “donors” (de moleculen die elektronen afstaan;

de reductor) de energieniveaus die nodig zijn en dus de energie die de

kleurstofmoleculen moeten absorberen. Als dit niet gebeurt zullen de elektronen

terugvallen in hun lage schil en dus geen vrije elektronen worden die kunnen

reageren in de redoxreactie. Daarbij komt dat de elektronen zich in één richting

moeten verplaatsen, oftewel, er is een asymmetrisch molecuul nodig (wat een stuk

moeilijker is dan een symmetrisch kleurstofmolecuul maken). Weer een ander punt is

dat de kleurstofmoleculen een interactie aangaan met TiO2. Deze interactie mag

bovenstaand genoemde punten niet negatief beïnvloeden.

Yuri

Yuri is een masterstudent die zijn stage loopt bij de onderzoeksgroep van prof. dr.

Joost Reek. Hij specialiseert zich hierbij in de ankers: dat zijn de groepen die

intermoleculaire bindingen met elkaar aangaan. Het gaat hier met name over de

binding van de binding tussen de kleurstofmoleculen en de TiO2. Het is namelijk zo

dat de ankergroepen van de kleurstoffen na een tijd loslaten, waardoor geleiding niet

meer mogelijk is. Een van de oorzaken zou de aanwezigheid van H+ kunnen zijn, die

ondanks de buffer reageert met de ankergroepen van de kleurstoffen. De zuurgroep

is namelijk een veel voorkomende ankergroep, maar die niet erg stabiel is. Een optie

zou zijn om kleurstoffen te kiezen met PO3 groepen, die stabieler zijn in de binding

maar slechter elektronen geleiden. Een theoretische oplossing hiervoor kunnen

elektronen-geleidende koolstof-nanobuisjes zijn. Dit moet echter nog in de praktijk

worden onderzocht.

Dhr. Dr. Rene M. Williams

Tenslotte hebben wij onder leiding van Rene Williams een Grätzel cel gebouwd. Dit

gebeurde grotendeels op dezelfde manier als in 3.3.2 Het prepareren van de Grätzel

cel beschreven staat. Alle benodigdheden waren voor ons in een lokaal klaargezet.

Op een van de glasplaatjes met TCO zat echter al een laagje TiO2, dus dit hebben

wij niet meer zelf hoeven te doen. Nadat de thee gezet was, werd het glasplaatje met

TiO2 in het afgietsel van de thee geweekt. Op het andere glasplaatje met TCO werd

met een potlood een laagje grafiet aangebracht. Toen beide glasplaatjes klaar waren

werden deze op elkaar gelegd en werd er een druppel jodide (elektrolyt) tussen

gedaan. Hierna werden de glasplaatjes met een klemmetje vastgeklemd en met twee

kabeltjes verbonden aan een multimeter. Vervolgens heeft Rene Williams uitleg

Bijlagen

70

gegeven over wat er zou gebeuren wanneer er licht op de cel wordt geschenen. Hij

vertelde het groene licht het beste opgenomen wordt, omdat de gebruikte kleurstof

een rode kleur heeft. Hierna is de Grätzel cel in het licht van een lamp gehouden en

is de spanning en de stroom gemeten. Ook is de Grätzel cel naast een spiegel in het

licht van een lamp gehouden en is opnieuw de spanning en stroom gemeten. Hieruit

bleek dat de hoeveelheid spanning en stroom veel hoger waren wanneer er een

spiegel naast het licht werd gehouden.

Bijlagen

71

D. t-toetsen

P-waarden onder 0,05 zijn geel gemarkeerd.

Bijlagen

72

Documents

Kunstmatige fotosynthese - · PDF filethylakoïden. Binnen een thylakoïde bevindt zich de thylakoïdruimte. Een ‘stapel’ thylakoïden wordt een granum genoemd