Fotokatalizatory hybrydowe przekształcają CO2 w przyjazne dla środowiska paliwa słoneczne
Sztuczna fotosynteza, proces inspirowany naturą, wykorzystuje światło słoneczne do przekształcania CO2 i wody w związki dostarczające energii i ją uwalniające, ale zamiast wytwarzania cukrów, jak w przypadku roślin zielonych, sztuczna fotosynteza pozwala uzyskiwać tlenek węgla (CO), metan (CH4), metanol (CH3OH) i wodór (H2) – interesujące nas ekologiczne paliwa. Projekt HyMAP (Hybrid Materials for Artificial Photosynthesis), finansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN), został uruchomiony w celu opracowania nowej generacji hybrydowych materiałów organiczno-nieorganicznych i urządzeń do przeprowadzania przemian chemicznych niezbędnych do zaistnienia sztucznej fotosyntezy. Otworzyłoby to drzwi do opracowania ekologicznych alternatyw dla elektrochemicznych elektrod magazynujących energię stosowanych w akumulatorach. Zespół zajął się badaniem fotokatalizy w różnych skalach, od nanoskalowych katalizatorów do pilotażowych reaktorów. W ten sposób zdołano uzyskać nowatorskie fotoaktywne materiały hybrydowe. „Nasze wyniki, zwłaszcza te zwiększające wydajność, stanowią awangardę badań w dziedzinie konwersji CO2. Stanowią one prawdziwy przełom w tym obszarze”, mówi główny badacz Victor A. de la Peña O’Shea z Instytutu Energii IMDEA. Poczynione odkrycia naukowe zostały zaprezentowane w prestiżowych czasopismach. Nowa rodzina półprzewodników organicznych opracowana w ramach projektu, wykonana ze sprzężonych polimerów porowatych, została już opatentowana do produkcji paliwa słonecznego.
Materiały hybrydowe
Głównym celem projektu HyMAP było opracowanie wielofunkcyjnych układów o ulepszonych możliwościach w zakresie zbierania światła z całego widma słonecznego. Aby to osiągnąć, zespół zbadał fotokatalizatory hybrydowe, wybierając kilka materiałów i podejść. Wśród przyjętych strategii znalazły się: (i) opracowanie pasma wzbronionego w półprzewodnikach nieorganicznych i (ii) organicznych, (iii) jak również związane z tym heterozłącza; (iv) opracowanie struktur metaloorganicznych (MOF) i (v) zjawisko up-konwersji (ang. up-conversion, UC). Pierwsze cztery opcje pozwalają na zbieranie energii w zakresie ultrafioletu oraz obszarów widzialnego widma światła, natomiast proces UC poprawia zbieranie energii o długościach podczerwonych. Co najważniejsze, półprzewodniki nieorganiczne i organiczne poprawiają generowanie i przenoszenie ładunków, zwiększając wydajność fotokatalityczną. „Połączenie różnych materiałów, z których każdy odpowiada za inny fragment reakcji fotokatalitycznych – głównie w zakresie absorpcji światła, separacji ładunków i katalizy – poprawiło ogólną wydajność procesu”, wyjaśnia de la Peña O’Shea. Mechanizmy reakcji w tych materiałach scharakteryzowano w laboratorium przy użyciu szeregu zaawansowanych technik in situ, w tym rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów pod ciśnieniem bliskim ciśnieniu otoczenia, dyfrakcji rentgenowskiej i promieniowania synchrotronowego.
Reaktor słoneczny
Ponieważ badania zespołu wykazały, że hybrydowe półprzewodnikowe heterozłącza organiczne/nieorganiczne wykonane ze sprzężonego polimeru porowatego mają szczególnie wysoką wydajność, podjęto się zaprojektowania reaktora słonecznego w fazie gazowej. Składał się on z reflektora słonecznego – złożonego kolektora parabolicznego – który przekierowuje całe otrzymane promieniowanie słoneczne w kierunku reaktora, oraz rurowego reaktora z przepływem pierścieniowym, wykonanego ze szkła borokrzemianowego, które jest bardziej odporne na wysokie temperatury. Wykazano, że ten prototypowy reaktor z powodzeniem wytwarza dzięki energii słonecznej wodór zarówno z wody, jak i biomasy, a także z innych paliw lub substancji chemicznych, takich jak CO, CH4 i CH3OH, wykorzystując CO2 w charakterze reagenta. „Tak doskonałe wyniki w produkcji paliwa słonecznego doprowadziły już do powstania instalacji pilotażowej, zwiększając naszą wiedzę i umożliwiając precyzyjne dostrojenie procesów przed rozważeniem możliwości rynkowych”, mówi de la Peña O’Shea. „Musimy rozszerzyć zastosowanie tych materiałów hybrydowych na reakcje inne niż fotoreakcje, włączając w to foto(elektro)katalizę, oraz bardziej złożone paliwa i związki chemiczne, takie jak amoniak, etylen i eter dimetylowy”.
Zwiększanie wydajności, aby sprostać nowym wyzwaniom
Zespół projektu HyMAP rozpoczął już powiązane z projektem, finansowane przez ERBN działania w kierunku potwierdzenia słuszności koncepcji, które są częścią projektu NanoCPPs, aby opracować prototyp, który umożliwi zastosowanie nanostrukturalnych sprzężonych polimerów porowatych w większej skali. „Nanostruktura tego polimeru oferuje ulepszone właściwości, otwierając nam drzwi do zwiększenia wydajności”, dodaje uczony. Wyzwaniem pozostaje nadal maksymalizacja właściwości elektronicznych tych układów, tak aby te proponowane, przyjazne dla środowiska alternatywy dla obecnych elektrochemicznych elektrod magazynujących energię w akumulatorach można było rzeczywiście zastosować w większej skali.
Słowa kluczowe
HyMAP, sztuczna fotosynteza, wodór, paliwa słoneczne, nano, fotokatalityczne, organiczne, nieorganiczne, półprzewodniki, materiały hybrydowe, ekologiczne
