Promyczek nadziei w badaniach nad odnawialnymi paliwami chemicznymi
Rośliny stanowią jedno z najważniejszych osiągnięć inżynieryjnych przyrody – wychwytują bowiem ogromne ilości dwutlenku węgla z atmosfery, wytwarzając przy tym tlen będący składnikiem powietrza, którym oddychamy i energię chemiczną ze światła słonecznego. Ta ostatnia umiejętność sprawia, że inspirują naukowców dążących do opracowania ekologicznych alternatyw dla paliw chemicznych. Dotychczas próby odtworzenia tego procesu spełzały jednak na niczym. „Zaprojektowanie i opracowanie platformy pozwalającej na gromadzenie energii słonecznej i przetwarzanie jej na energię chemiczną w postaci paliwa stanowi z pewnością olbrzymie wyzwanie”, twierdzi Bettina Lotsch, kierowniczka Instytutu Badań Ciała Stałego im. Maxa Plancka oraz główna badaczka finansowanego przez ERBN projektu COFLeaf (Fuel from sunlight: Covalent organic frameworks as integrated platforms for photocatalytic water splitting and CO2 reduction). „Wyzwanie to jest w dużej mierze związane ze znalezieniem właściwych materiałów. Musimy w tym celu zgrać złożony zestaw procesów fizyko-chemicznych, spośród których każdy wymaga czasu oraz określonych materiałów. Co więcej, opracowana platforma musi być stabilna i oparta na powszechnie występujących substancjach”. Dzięki stypendium ERBN Lotsch chciała opracować fotokatalizatory nowej generacji, które umożliwiłyby realizację tego celu. Z tego powodu postanowiła również odejść od fotokatalizatorów nieorganicznych, które często są toksyczne, ich wytwarzanie wiąże się z olbrzymimi kosztami, a same substancje są niezwykle trudne do dostosowania do potrzeb. Zamiast tego postanowiła skupić się na substancjach organicznych, które można dostosowywać od poziomu pojedynczych atomów. „Wykorzystane przez nasz zespół materiały należą do kategorii organicznych sieci kowalencyjnych, czyli w skrócie COF. Charakteryzują się one pewnym podobieństwem do naturalnych organów odpowiedzialnych za fotosyntezę roślin – są oparte na węglu, niezwykle wszechstronne, charakteryzują się dobrą definicją molekularną, a zarazem doskonale współgrają z narzędziami dostępnymi w syntezie organicznej”, wyjaśnia Lotsch. Organiczne sieci kowalencyjne mogą być postrzegane jako pomost pomiędzy cząsteczkami i ciałami stałymi. Powstają dzięki połączeniu prostych związków organicznych, co sprawia, że dostosowywanie składu docelowych substancji jest łatwe dzięki podstawowym metodom chemicznym. W przeciwieństwie do większości innych organicznych polimerów, organiczne sieci kowalencyjne charakteryzują się strukturą umożliwiającą jej łatwe badanie przez naukowców – kryształy pozwalają na wykorzystanie szerokiego asortymentu technik badawczych w celu wyjątkowo dokładnego poznania struktury tych ciał stałych. „Organiczne sieci kowalencyjne mają szereg zalet”, zauważa Lotsch. „Charakteryzują się wyjątkowo wysokimi możliwościami dostosowywania składu oraz struktury, co wyróżnia je na tle tradycyjnych polimerów. Co więcej, porowatość strukturalna daje im przewagę nad innymi fotokatalizatorami pod względem powierzchni. Ogólna zasada mówi, że im większa powierzchnia, tym lepsza aktywność katalityczna”.
Nowa i obiecująca dziedzina badań
Po trwających przez 5 lat badaniach zespół prowadzony przez Lotsch skutecznie wykazał, że organiczne sieci kowalencyjne oferują doskonały potencjał ze względu na powszechne występowanie w przyrodzie oraz możliwość dostosowywania ich zróżnicowanych aspektów. W rzeczywistości ich potencjał w zakresie przetwarzania energii jest tak ogromny, że doprowadził do powstania nowej dziedziny badań naukowych nazywanej roboczo miękką fotokatalizą. Jednym z najważniejszych rezultatów projektu jest wykazanie, że organiczne sieci kowalencyjne są w stanie skutecznie zbierać światło i przekształcać je w energię chemiczną, na przykład w formie wodoru. Nowe systemy fotokatalityczne wykorzystują powszechnie występujące materiały i działają w warunkach wodnych. Dzięki innowacyjnym strategiom chemicznym mogą charakteryzować się nawet wysoką odpornością chemiczną w trudnych warunkach fotokatalitycznych. „Wykazaliśmy także coś, co dotychczas było uważane za Świętego Graala fotokatalizy – i nadal nim pozostaje. Jesteśmy w stanie precyzyjnie dostroić parametry określające aktywność z dokładnością do poziomu pojedynczych atomów. Co więcej, opracowaliśmy jednomiejscowe heterogeniczne platformy fotokatalityczne z precyzją na poziomie molekularnym, które pozwalają nam nie tylko zmniejszyć zużycie drogich i szlachetnych metali w ramach procesu fotokatalizy, ale także mogą służyć jako platformy pozwalające na lepsze zrozumienie procesu reakcji fotokatalitycznej”. Wysiłki zespołu mogą przyczynić się do realizacji wydajnych i wysoce dostrajalnych platform opartych na polimerach organicznych, wykorzystujących zjawisko sztucznej fotosyntezy. Co prawda wiele jeszcze czasu upłynie zanim ta nowa technologia trafi na rynki, jednak opracowane w ramach projektu akumulatory słoneczne dla klasy polimerów zwanych azotkami węgla, a także koncepcja „ciemnej fotokatalizy” opóźnionej w czasie stanowią obiecujące kierunki badań. Inne możliwe zastosowania obejmują utrwalanie azotu oraz waloryzację biomasy lub mikroplastików.
Słowa kluczowe
COFLeaf, fotosynteza, akumulatory słoneczne, organiczne sieci kowalencyjne, światło słoneczne, paliwo chemiczne
