Rodí sa nová cesta k „zelenej energii“? Umelá fotosyntéza dokáže vyrábať vodík

Vedci sa pokúšajú napodobniť fotosyntézu v laboratóriách v nádeji, že dokážu objaviť proces výroby paliva pomocou svetla. Tím výskumníkov z Brookhaven National Laboratory pri americkom Ministerstve energetiky a Virginia Tech teraz objavil tajomstvo človekom vytvoreného molekulárneho systému zloženého zo „supramolekúl“. A ten to dokáže.

Fotosyntéza v rastlinách premieňa slnečnú energiu na energiu chemickú tým, že transformuje atmosférický oxid uhličitý a vodu na molekuly cukru. Vedci sa pokúšajú tento proces premeny energie umelo reprodukovať, aby vyrobili ekologicky prijateľné palivá, ako vodík a metanol.

Toto znázornenie heptametalického systému vystaveného svetlu ukazuje zber svetla šiestimi centrami Ru (červená) a prenos elektrónov na katalyzátor Rh (čierny), kde sa vyrába vodík. Efektívny prenos elektrónov do iónov Rh je nevyhnutný pre dosiahnutie vysokej účinnosti.

Napodobňovanie biologických procesov fotosyntézy sa však ukázalo ako náročné. Umelá fotosyntéza spočíva v návrhu molekulárneho systému, ktorý dokáže absorbovať svetlo, prenášať a oddeliť elektrický náboj a katalyzovať reakcie produkujúce palivo. Aby sa dosiahla vysoká účinnosť, musia všetky tieto procesy fungovať súčasne.

Chemici navrhli dva fotokatalyzátory, ktoré obsahujú komponenty na absorpciu svetla, separáciu náboja alebo katalýzu. V oboch sú tieto funkcie zlúčené do jednej „supramolekuly“.

Etsuko Fujita a Gerald Manbeck z Brookhaven Lab’s Chemistry Division pracovali na výskume fotokatalyzátorov pre umelú fotosyntézu.

V oboch molekulárnych systémoch sú vytvorené centrá na zber svetla z kovových iónov ruténia (Ru), pripojené k jedinému katalytickému stredu vyrobenému z iónov ródia (Rh) prostredníctvom premosťujúcej molekuly. Tá podporuje prenos elektrónov z ruténiového centra na ródiový katalyzátor, kde sa vyrába vodík.

Následne porovnávali výkonnosť výroby vodíka a analyzovali fyzikálne vlastnosti supramolekúl. Výskum bol popísaný v on-line magazíne Journal of the American Chemical Society. Vedci chceli prísť na to, prečo fotokatalyzátor so šiestimi atómami Ru v absorbéri svetla produkuje viac vodíka a zostáva stabilný dlhšie, ako fotokatalyzátor s troma atómami Ru.

Ten so šiestimi iónmi Ru v absorbéri svetla produkuje 280 molekúl vodíka na katalyzátor počas 10 hodín. Druhý fotokatalyzátor, ktorý má tri ióny Ru, produkuje len 40 molekúl H₂ za štyri hodiny, a potom prestane fungovať.

Po sérii pokusov vedci zistili, že väčšia supramolekula je o čosi chudobnejšia na elektróny, čo ju robí schopnou prijímať viac elektrónov potrebných pre fotosyntézu.

Odhalením tohto tajomstva výskumníci otvorili možnosti pre navrhovanie efektívnejších systémov pre umelú fotosyntézu. Keďže sa jedná o základný výskum, na prakticky využiteľné zariadenia si ešte počkáme. Zariadenia, ktoré budú reálne schopné vyrábať vodík, len čo vyjde slnko nad obzor, ale možno nakoniec získame,

Snáď sa to podarí, veď podobnému výskumu sa venuje mnoho tímov po celom svete. Potom môžeme získať zaujímavú skratku k výrobe ekologického paliva – bez medzičlánku v podobe elektrární a elektrolýzy.