Wodór bywa przedstawiany jako paliwo przyszłości. Podczas jego wykorzystania w ogniwach paliwowych powstaje energia elektryczna, a produktem reakcji jest woda. Problem w tym, że większość wodoru wytwarza się obecnie z gazu ziemnego. Produkcja wodoru bez paliw kopalnych jest możliwa, lecz znacznie droższa.
Naukowcy od lat szukają sposobu, by otrzymywać wodór bezpośrednio z wody, wykorzystując energię słoneczną. Jednym z rozwiązań są fotokatalizatory, czyli materiały, które pochłaniają światło i wykorzystują jego energię do przyspieszania reakcji chemicznych. Pozwalają więc wykorzystać światło bez wcześniejszego przekształcania go w energię elektryczną.
Zespół kierowany przez Kyriakosa Stylianou z Oregon State University opracował nowy materiał oznaczony jako BVR-19. Jego działanie opiera się na związkach siarki, które pod wpływem światła uruchamiają reakcje prowadzące do wydzielania wodoru. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „Journal of the American Chemical Society”.
Nowy fotokatalizator pomaga uzyskać wodór z wody
Żeby zrozumieć, na czym polega odkrycie, trzeba przyjrzeć się katalizatorom. Są to substancje przyspieszające reakcje chemiczne, które same nie ulegają przy tym trwałemu zużyciu. Fotokatalizator działa podobnie, ale do uruchomienia reakcji wykorzystuje energię światła. Jego skuteczność zależy między innymi od tego, jak dobrze pochłania światło i przekazuje zgromadzoną energię.
Po pochłonięciu światła, elektrony w materiale mogą przejść na wyższy poziom energetyczny. Zgromadzona w ten sposób energia umożliwia reakcje, które bez dodatkowego źródła energii przebiegałyby bardzo wolno albo wcale.
BVR-19 należy do grupy materiałów nazywanych szkieletami metaloorganicznymi, w skrócie MOF. Są to uporządkowane, porowate struktury zbudowane z jonów metali połączonych cząsteczkami organicznymi. Ich właściwości można zmieniać, dobierając odpowiednie składniki. W ten sposób chemicy mogą projektować materiały przeznaczone do bardzo konkretnych reakcji.
Chemicy stworzyli już niemal 100 tys. takich struktur, a właściwości około pół miliona kolejnych przewidziano na podstawie obliczeń. Teoretycznie możliwych kombinacji są miliony. Materiały te bada się między innymi pod kątem magazynowania gazów, rozdzielania substancji i przyspieszania reakcji chemicznych.
Siarka zastępuje kosztowny dodatkowy katalizator
W BVR-19 najważniejszą rolę odgrywa nietypowe wiązanie pomiędzy atomami siarki. Pod wpływem światła ulega ono chwilowemu rozerwaniu. Powstają wówczas bardzo reaktywne formy chemiczne siarki, które uczestniczą w przenoszeniu elektronów potrzebnych do wydzielania wodoru. To właśnie ten mechanizm odróżnia nowy materiał od wielu wcześniej badanych fotokatalizatorów.
To odmienne podejście do projektowania fotokatalizatorów. W wielu materiałach tego rodzaju główną rolę w przebiegu reakcji odgrywają atomy metali. Tutaj energię światła wychwytują i wykorzystują przede wszystkim organiczne części struktury zawierające siarkę.
Dzięki temu BVR-19 nie wymaga dodawania osobnego, kosztownego katalizatora metalicznego. Nie oznacza to, że materiał w ogóle nie zawiera metali. Są one częścią jego szkieletu, ale nie trzeba stosować dodatkowego składnika, który umożliwiałby wydzielanie wodoru. Mniejsza liczba potrzebnych składników może w przyszłości uprościć konstrukcję urządzeń wykorzystujących tę metodę.
Nowy materiał ma jeszcze jedną zaletę. Powstaje samorzutnie w roztworze wodnym, w temperaturze pokojowej. Jego wytwarzanie nie wymaga więc energochłonnego ogrzewania, co może ułatwić opracowanie tańszych metod produkcji takich fotokatalizatorów.
Zielony wodór jest dziś znacznie droższy od zwykłego
Cena pozostaje jedną z głównych przeszkód w rozwoju produkcji wodoru bez wykorzystania paliw kopalnych. Obecnie wodór otrzymywany z gazu ziemnego kosztuje ok. 1,50 dolara za kilogram, podczas gdy koszt produkcji zielonego wodoru wynosi mniej więcej 5 dolarów za kilogram. Oznacza to, że czystsza metoda jest dziś ponad trzykrotnie droższa.
Najczęściej rozważaną metodą otrzymywania zielonego wodoru jest elektroliza wody. Polega ona na wykorzystaniu energii elektrycznej do rozdzielenia cząsteczek wody na wodór i tlen. Jeżeli energia pochodzi z odnawialnych źródeł, proces może mieć znacznie mniejszy ślad węglowy niż produkcja z gazu ziemnego.
Problemem pozostają jednak koszty energii elektrycznej oraz urządzeń potrzebnych do prowadzenia elektrolizy. Dlatego naukowcy szukają również materiałów, które mogłyby wykorzystywać światło do bezpośredniego napędzania reakcji chemicznych. Pozwoliłoby to ograniczyć liczbę etapów potrzebnych do zamiany energii słonecznej w paliwo.
BVR-19 jest jednym z takich rozwiązań. Badacze sprawdzili także, jak zmiana metalu w jego strukturze wpływa na skuteczność działania. Okazało się, że materiały o podobnej budowie mogą znacznie różnić się zdolnością do wytwarzania wodoru. Pozwoliło to lepiej zrozumieć, które elementy struktury odpowiadają za wydajność reakcji.
Na razie odkrycie dotyczy badań laboratoryjnych. Naukowcy nie przedstawili kosztów przemysłowego wytwarzania wodoru z wykorzystaniem BVR-19 ani nie wykazali, że materiał pozwoli już teraz konkurować z metodami stosowanymi na dużą skalę. Wyniki dostarczają jednak wskazówek, jak projektować kolejne fotokatalizatory, które skuteczniej wykorzystają energię światła bez konieczności stosowania drogich dodatkowych katalizatorów. Dalsze badania pokażą, czy tę metodę uda się wykorzystać poza laboratorium.
