Naukowcy wykorzystują diament i światło słoneczne do przekształcania zanieczyszczenia dwutlenkiem węgla w paliwo i substancje chemiczne
Stężenie CO2 w atmosferze stale wzrasta, a to powoduje wiele problemów związanych z wpływem na środowisko. Zdaniem naukowców ważne jest nie tylko zaprzestanie pompowania megaton dwutlenku węgla do atmosfery, ale również rozpoczęcie usuwania tego, który już do niej trafił. Wystawienie syntetycznego diamentu na działanie światła jest nowym podejściem, które potencjalnie może pomóc w walce ze zmianami klimatu i zapewnić bardziej zrównoważone dostawy surowców dla niektórych sektorów przemysłu. W kilku niedawnych badaniach udało się wykorzystać syntetyczny diament do wychwytywania części dwutlenku węgla z atmosfery i przekształcania go w zdatne do użytku paliwo i substancje chemiczne. Nowatorskie podejście opracowane przez naukowców pracujących nad finansowanym ze środków UE projektem DIACAT skutkuje uzyskaniem o dwa rzędy wielkości lepszej wydajności fotokatalitycznej niż w przypadku istniejących reaktorów wykorzystujących podobne procesy. Naukowcy po raz pierwszy zademonstrowali całą gamę kompozycji diamentowych, które mogą rozkładać CO2 do postaci metanolu i mrówczanu przy użyciu światła widzialnego. Wyprodukowali oni różne rodzaje nanostrukturalnych i domieszkowanych materiałów diamentowych z grupami funkcyjnymi na ich powierzchniach – w dużych ilościach i o powtarzalnej jakości. Oceniano różne aktywne kompleksy metali i powłoki z tlenków metali pod kątem ich aktywności fotokatalitycznej. Łącząc najlepsze materiały i struktury, zespół zaobserwował najwyższą dotychczas aktywność fotokatalityczną w materiałach diamentowych.
Diament działa jak sztuczne drzewo
Podobnie jak w przypadku prawdziwych drzew, które do produkcji substancji odżywczych wykorzystują CO2, światło słoneczne i wodę, opracowane syntetyczne materiały diamentowe działają jak sztuczne drzewa, które wykorzystują te same składniki do produkcji paliwa i substancji chemicznych. „Tam, gdzie natura wykorzystuje fotosyntezę do produkcji glukozy z CO2, my wykorzystujemy ekologiczne rozpuszczalniki i światło słoneczne do produkcji metanolu i mrówczanu na węglowej powierzchni”, zauważa koordynatorka projektu, Anke Krueger. Powstały w ten sposób metanol jest alternatywnym biopaliwem, które może być wykorzystywane do napędzania samochodów. Mrówczan, który może być następnie redukowany do innych związków, jest użytecznym materiałem macierzystym niezbędnym dla przemysłu chemicznego.
Niezrównane właściwości diamentu
W przeciwieństwie do powszechnie panującego poglądu wykonany przez człowieka diament jest łatwo dostępnym materiałem. Można otrzymać go z metanu, wykorzystując proces chemicznego osadzania z fazy gazowej. Warstwy diamentowe osadzane na substratach są powszechnie dostępne i raczej tanie, nie stanowią zagrożenia dla bezpieczeństwa i są przyjazne dla środowiska. Co więcej, diament ma unikalną właściwość, która nie występuje w innych materiałach półprzewodnikowych. Posiada on tzw. ujemne powinowactwo elektronowe – elektrony mogą opuścić powierzchnię diamentu bez dodatkowej bariery energetycznej, gdy zostaną wzbudzone do pasma przewodnictwa. „Normalnie jest to możliwe tylko wtedy, gdy elektrony są wzbudzane krótkofalowym światłem ultrafioletowym, ale w ramach projektu DIACAT eksperymentowaliśmy z użyciem większej frakcji światła słonecznego. Zauważyliśmy, że diament emituje elektrony o bardzo wysokim potencjale redukcyjnym. Z kolei elektrony mogą redukować wysoce obojętne cząsteczki, takie jak CO2 i azot molekularny”, wyjaśnia Krueger. Ten unikalny zestaw właściwości fizykochemicznych umożliwił naukowcom realizację swego rodzaju sztucznego procesu fotosyntezy, w którym dwutlenek węgla przekształcany jest w cząsteczki organiczne za pomocą światła słonecznego i wody. Przełomowa technologia DIACAT stanowi ważną część ogólnych starań UE na rzecz walki ze zmianami klimatu poprzez usuwanie CO2 z atmosfery. Technologia ta będzie efektywniej wykorzystywana w miejscach, w których występuje produkcja CO2 w dużych stężeniach. Dlatego też preferowanymi lokalizacjami do wdrażania tej technologii w przyszłości będą elektrownie, huty lub cementownie.
Słowa kluczowe
DIACAT, diament, CO2, substancje chemiczne, paliwo, metanol, mrówczan, sztuczna fotosynteza
