Nanokryształy – nowe źródło paliwa wodorowego

Amerykańscy naukowcy wyprodukowali paliwo wodorowe z użyciem układu składającego się z nanokryształów, światła słonecznego oraz niklowego katalizatora. Nowy sztuczny proces fotosyntezy realizowany przez ten układ jest pierwszym tego rodzaju mogącym stale dostarczać paliwa wodorowego nawet przez okres kilku tygodni. Jego potencjalnym zastosowaniem, oprócz wytwarzania zielonej (ekologicznej) energii, może być np. wytwarzanie amoniaku.

Naśladowanie procesów fotosyntezy

Rośliny podczas procesu fotosyntezy wykorzystują promieniowanie słoneczne do konwersji na energię. Sztuczne systemy fotosyntezy próbują naśladować ten naturalny proces poprzez zastosowanie molekuł barwnikowych (ang. dye molecules) absorbujących światło, nazywanych chromoforami. Chromofory dokonują rozkładu wody na wodór oraz tlen. Wodór wytwarzany jest w procesie redukcji, tlen – w procesie oksydacji (utleniania). Zasadniczą wadą technologii opartej o chromofory jest ich krótki czas życia, ponieważ promienie Słońca stopniowo uszkadzają i w konsekwencji niszczą chromofory w ciągu zaledwie kilku godzin.

Obecnie zespół naukowców pod kierunkiem Todda Kraussa, Patricka Holandii i Richarda Eisenberga z University of Rochester opracował nowy fotochemiczny układ wytwarzający paliwo wodorowe, składający się z półprzewodnikowych kropek kwantowych z CdSe (selenku kadmu), katalizatora z soli niklu oraz kwasu askorbinowego (witamina C). Jak wynika z badań, układ ten jest w stanie „przetrwać”, w środowisku wodnym, co najmniej kilka tygodni a nie jak wcześniejsze układy tylko kilka godzin. Ponadto jego efektywność kwantowa kształtuje się na poziomie 36% tj. na 100 zaabsorbowanych fotonów, 36 fotonów jest w stanie wyprodukować cząsteczki wodoru. Jeżeli zaś zostanie umieszczony w roztworze wody oraz etanolu, wówczas jego wydajność wzrasta aż do 66%. Tak wysokiej efektywności nie udało się jak do tej pory uzyskać. Jedyną wadę tego układu stanowi witamina C, działająca jako donor elektronów, która ze względu na jej wysoki stopień zużycia musi być regularnie uzupełniana w każdym cyklu produkcyjnym wodoru.

Jak to wszystko działa?

Kropki kwantowe z CdSe absorbują dwa fotony światła słonecznego, po czym przenoszą dwa elektrony do katalizatora niklu. Dwa pozostałe protony łączą się z kolei w cząsteczkę wodoru. „Nasza praca różni się od innych tym, że w opracowanym przez nas układzie katalizator wytwarzany jest in situ z ligandów kropek kwantowych”, powiedział. „Czas życia większości systemów wykorzystujących roztwory chemiczne do produkcji wodoru wynosi zazwyczaj od kilku do co najwyżej kilkunastu (kilkudziesięciu) godzin (ze względu na ograniczony czas życia chromoforów), więc nasz układ pod względem trwałości jest dość niezwykły”, dodał.

Wytwarzanie amoniaku

„Mamy nadzieję, że przeprowadzone przez nas badania pomogą nam lepiej zrozumieć reakcję redukcji zachodzącą podczas procesu sztucznej fotosyntezy, co być może przyczyni się do bardziej skutecznego i efektywnego rozkładu cząsteczek wody”, powiedział Krauss.

Zdaniem zespołu, taka ekologiczna metoda wytwarzania wodoru może znaleźć również zastosowanie w przemyśle, na przykład do wytwarzania amoniaku.

Aktualnie prace naukowców koncentrują się na poszukiwaniu nowych nanocząstek, które mogłyby zastąpić w układzie półprzewodnikowe kropki kwantowe. „Sprawdzamy również inne, mniej kosztowne, materiały, które mogłyby zastąpić obecnie używany katalizator niklowy oraz szukamy sposobu na zastąpienie cząsteczki witaminy C inną substancją. Doświadczenia te mogą być kolejnym krokiem w kierunku stworzenia bardziej efektywnego procesu systemu sztucznej fotosyntezy”, powiedział Krauss.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com