Naukowcy poszukują katalizatora do sztucznej fotosyntezy

Do rozszczepienia wody dochodzi w procesie fotosyntezy u roślin

Na całym świecie poszukuje się sposobu na przeprowadzenie rozkładu cząsteczki wody przy użyciu energii słonecznej, tak jak dzieje się to w przypadku procesu fotosyntezy u roślin. Znalezienie odpowiedniego katalizatora rozwiązałoby energetyczne problemy świata, a paliwa kopalne zastąpione zostałyby wodorem. Jego spalanie dawałoby z kolei w wyniku jedynie nadającą się do picia wodę. Nad stworzeniem opłacalnej metody rozszczepienia wody pracuje też polska badaczka dr Anna Lewandowska-Andrałojć z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu.

"Koncepcja jest bardzo prosta - mówi dr Anna Lewandowska-Andrałojć - 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."

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. Prof. Daniel Nocera 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 tej metody niestety wynosi 4,7% i jest za mała, aby wykorzystać ją w celach przemysłowych.

Grupa dr Andrałojć 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 - tłumaczy badaczka. Na takim podłożu bardziej wydajne będzie przeniesienie elektronu, a tym samym bardziej wydajna reakcja wytworzenia wodoru." Pozostaje z nadzieją spoglądać w przyszłość.

(mk)