Naukowcy z Chin i Izraela opracowali nowatorską i wydajną metodę wykorzystującą światło słoneczne do rozpadu wody na tlen i wodór. W pierwszym etapie woda jest utleniana do nadtlenku wodoru, który jest rozkładany w wyniku niedrogiej katalizy chemicznej. Badacze mają nadzieję, że ten prosty i przyjazny dla środowiska proces jest już jedną z najbardziej rentownych technik fotolizy oraz posiada znaczące możliwości optymalizacji.
Produkcja wodoru przy wykorzystaniu światła słonecznego jest nie lada wyzwaniem. Najlepiej opracowaną do tej pory procedurą jest fotoelektroliza. Fotowoltaiczne komórki pobierają energię z fotonów, a różnica potencjałów powoduje rozkład wody. Teoretycznie do tego procesu niezbędna jest energia o napięciu co najmniej 1,23V, lecz bezpośredni rozszczep wody zachodzi przy udziale czteroelektronowego kompleksu. Tak więc wymagane jest napięcie w okolicach 2V by osiągnąć przyzwoitą szybkość reakcji. W takim przypadku niezbędne będą trzy lub cztery ogniwa słoneczne, co zwiększa koszty.
Alternatywą jest fotokataliza. Absorbujący światło katalizator ma formę proszku zawieszonego w wodzie, co przyspiesza absorbcję fotonów i sam proces fotolizy wody. Dzięki takiemu rozwiązaniu metoda jest tańsza i łatwiejsza w zastosowaniu przemysłowym. Niestety, wydajność wielu fotokatalizatorów oscyluje w granicy 0,1% i wymagają kosztownych materiałów (np. złota). Występują też reakcje uboczne zatrzymujące fotokatalizę poprzez zatrucie katalizatora, takie jak wytwarzanie nadtlenku wodoru.
Naukowcy pod przewodnictwem Zhenhui Kang ze Soochow University in China zdecydowali się zmaksymalizować produkcję nadtlenku wodoru. Zaprojektowali reakcję katalizy z C3N4 zawartego w specjalnym kompozycie zawierającym węglowe nanodoty. Woda rozpada się na wodór i nadtlenek wodoru, który normalnie przyłącza się do powierzchni katalizatora, zatruwając go. Nanodoty węglowe rozkładają nadtlenek wodoru do wody i tlenu, pozwalają też na pochłanianie większej ilości światła.
Ten rodzaj katalizy posiada 2% wydajności konwersji „światła do wodoru”. Aktualnie najlepszym fotokatalizatorem jest nanokrystaliczny tlenek kobaltu, którego wydajność wynosi około 5%. Jednakże zaczyna tracić aktywność w ciągu godziny. U wspomnianego wcześniej fotokatalizatora z C3N4 nie stwierdzono degradacji po 200 dniach. Naukowcy obliczyli, że jeżeli dopracują ich fotokatalizator by osiągał 5% wydajności, koszt produkcji wodoru spadnie do $2,30/kg. „Nawet na tym stadium zaawansowania koszt produkcji wynosi tylko $6/kg,” mówi współtwórca, Yeshayahu Lifshitz z Israel Institute of Technology.
1. J Liu et al, Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aaa3145
2. L Liao et al, Nat. Nanotechnol., 2014, 9, 69. DOI: 10.1038/nnano.2013.272
Opracowała: Olga Polakowska
