Energia ze słońca, która pada na ziemię w ciągu godziny, wystarczyłaby dla całej ludzkości na rok. Pytanie tylko, jak ją zmagazynować. Gdyby udało się przy pomocy światła rozłożyć wodę na wodór i tlen, paliwo wodorowe rozwiązałoby problemy energetyczne świata. Trzeba to jednak zrobić efektywnie i tanio. Do przeprowadzenia reakcji niezbędny jest idealny katalizator. Naukowcy wciąż go poszukują.

Skuteczne wykorzystanie energii słonecznej do fotokatalitycznego rozszczepienia wody umożliwi wydajne naśladowanie procesu fotosyntezy. Gdyby uczonym udało się zoptymalizować ten proces, moglibyśmy choć w części uniezależnić się od węgla kopalnego i innych paliw, których ilość jest na Ziemi ograniczona. Z drugiej strony spalanie węgla kopalnego zanieczyszcza środowisko i powoduje emisję dwutlenku węgla, natomiast w wyniku spalania wodoru otrzymujemy jedynie wodę, którą z kolei można poddać rozkładowi z użyciem kolejnych kwantów światła. Byłoby to zatem zarówno korzystne dla środowiska, jak i dawało dostęp do czystej wody, której w wielu miejscach świata dramatycznie brakuje. Problem z produkcją wodoru polega na tym, że jego wytwarzanie musi się opłacać.

- Koncepcja jest bardzo prosta: rozkładamy cząsteczkę wody do tlenu i wodoru. Proces ten wymaga odkrycia i opracowania nowych katalizatorów. Są już sprawdzone i rozwijane układy pozwalające na rozkład wody przy pomocy światła w skali laboratoryjnej. Niestety, znane katalizatory oparte są głównie o metale szlachetne, przede wszystkim platynę. Jest ona na tyle droga, że ta technologia, mimo że działa w laboratorium, nigdy nie będzie mogła być przeniesiona na skalę przemysłową – mówi dr Anna Lewandowska-Andrałojć.

Badaczka z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu poszukuje katalizatora, który by efektywnie produkował wodór, a jednocześnie byłby na tyle tani, że można byłoby go zastosować na szerszą skalę.

- Opracowanie katalizatora, który tanio, wydajnie i szybko będzie rozkładał wodę, jest podstawowym warunkiem, który musi być spełniony, by wodór mógł zastąpić bieżące nośniki energii. Chodzi o to, żeby wyprodukować miliony cząsteczek wodoru z jednej cząsteczki katalizatora – tłumaczy dr Lewandowska-Andrałojć. Zaznacza, że platyna jest bardzo dobrym katalizatorem, tylko drogim. Jak wyjaśnia badaczka w rozmowie z PAP, do przeprowadzenia reakcji w laboratorium potrzebny jest fotoreaktor. W nim naświetlana jest próbka, składająca się z barwnika, kompleksu metalu przejściowego pełniącego rolę katalizatora i przekaźnika elektronów. Rolą barwnika jest absorbowanie światła i przekazywanie elektronu do katalizatora. Następnie zredukowany katalizator może zacząć cykl katalityczny, czyli zacząć rozkładać wodę.

Pomimo intensywnie prowadzonych badań dotyczących fotokatalitycznej produkcji wodoru, nadal wiele istotnych kwestii pozostaje nierozwiązanych. Istniejące systemy wciąż ceną są drogie, gdyż są oparte o metale szlachetne, np. platynę. Są też krótkotrwałe, co wynika m.in. z rozkładu katalizatora w wyniku reakcji ubocznych. Największą trudnością dla badaczy jest odnalezienie takiego katalizatora, czyli cząsteczki, która tę pracę będzie wykonywała wielokrotnie i sama nie będzie się rozkładała. Dr Andrałojć szuka katalizatora opartego o kobalt - pierwiastek występujący w naturalnych minerałach, jak smaltyn i kobaltyn, w zdecydowanie większych ilościach niż występuje w przyrodzie platyna.

Autor koncepcji sztucznego liścia - prof. Daniel Nocera, który jest specjalistą z tej dziedziny z Harvardu, wykazał, że wystarczy postawić próbkę zawierającą krzemowy półprzewodnik i katalizator kobaltowy na oknie, a zwyczajne światło słoneczne spowoduje, że z wody zaczną się wydostawać pęcherzyki tlenu i wodoru. Wydajność sztucznego liścia prof. Nocery wynosi 4,7 proc. i niestety jest za mała, aby jego produkcja była opłacalna. Dlatego wyścig naukowców wciąż trwa.

Gdyby naukowcom udało się znaleźć tani i wydajny katalizator, fotoreaktory mogłyby znaleźć się w naszych domach. Jaka byłaby różnica między nową technologią a powszechnymi dziś panelami słonecznymi?

- Dzięki panelom otrzymujemy prąd bezpośrednio z promieniowania słonecznego. Natomiast idea otrzymywania paliwa ze słońca jest o tyle inna, że otrzymujemy surowiec, który możemy magazynować i transportować i używać wtedy, kiedy potrzebujemy. Jeśli słońca nie ma, wówczas z paneli słonecznych nie uzyskamy energii. Natomiast w koncepcji uzyskiwania paliwa, jakim jest wodór, z energii słonecznej, możemy używać go wtedy, kiedy potrzebujemy - wyjaśnia rozmówczyni PAP.

 

Uczeni patrzą w przyszłość z optymizmem i snują plany na wypadek, gdyby naukowa fikcja stała się faktem. Jedna z koncepcji mówi o tym, żeby każdy dom, również w krajach Trzeciego Świata był zaopatrzony w taki fotoreaktor. Naukowcy dostrzegają podwójną korzyść. Po pierwsze ludzie zyskaliby dostęp do energii, a wyniku spalania wodoru otrzymaliby czystą wodę.

- W niektórych rejonach świata dostęp do wody pitnej jest ograniczony. Teoretycznie byłoby możliwe połączenie tych dwóch rzeczy, czyli przemiany brudnej wody w czystą z wytworzeniem wodoru. Szanse są, niektórzy optymiści twierdzą, że w ciągu najbliższych 10 lat są w stanie wprowadzić tę technologię na rynek – mówi dr Andrałojć.

Badaczka kieruje grantem Sonata (z Narodowego Centrum Nauki). Jej grupa badawcza próbuje znaleźć idealny układ do sztucznej fotosyntezy. Badacze używają barwników ksantenowych i porfirynowych i skupiają się na różnych katalizatorach kobaltowych. Dla zwiększenia wydajności procesu cały układ stworzono na podbudowie z tlenku grafenu.

- Grafen ma fantastyczne właściwości do przenoszenia elektronów. Na takim podłożu bardziej wydajne będzie przeniesienie elektronu, a tym samym bardziej wydajna reakcja wytworzenia wodoru - mówi.

Współwykonawcą grantu jest dr Aleksandra Wójcik, prof. Andreas Grohmann z Berlina, który jest odpowiedzialny za syntezę związków kobaltu. Dr Andrałojć jest też laureatką stypendium Start FNP. Ze środków z tego stypendium wyjechała na Kalifornijski Uniwersytet Techniczny, gdzie prowadzi swoje badania nad katalizatorami kobaltowymi.

 Źródło: Karolina Duszczyk / naukawpolsce.pap.pl