Człowiek jest istotą rozumną, jednak w swym rozumie powiela pewne ścieżki, które zostały już przetarte przez inne istoty zamieszkujące naszą planetę. Często się okazuje, że świat roślin i zwierząt w toku ewolucji wykształcił pewne rozwiązania, które człowiek ,,wynalazł” dość niedawno. Obserwując i naśladując faunę i florę możemy wiele zyskać. A co jeśli nauczylibyśmy się fotosyntezy?
Sztuczna fotosynteza
Fotosynteza to proces, w którym z wody i dwutlenku węgla rośliny wytwarzają materię organiczną przy udziale światła. Odpadem tego procesu jest tlen. W pierwszym etapie fotosyntezy (tzw. faza jasna) następuje rozbicie wody na cząsteczki wodoru i tlenu.
Od lat naukowcy na całym świecie zastanawiają się, w jaki sposób przeprowadzić sztuczny proces odwzorowujący pierwszą fazę fotosyntezy. Celem badaczy jest otrzymanie czystego tlenu oraz wysokoenergetycznego wodoru. Jak się okazuje jest to możliwe, choć w cale nie takie proste. Proces rozbicia wody na wzór fotosyntezy nosi nazwę: fotokatalityczne rozbicie wody (lub bardziej przystępnie: photocatalytic water splitting).
Półprzewodnik jak roślina
Przy sztucznym rozbiciu wody zamiast naturalnych enzymów roślin wykorzystywany jest półprzewodnik zanurzony w wodzie poddany działaniom promieniowania słonecznego. Oczywiście nie każdy półprzewodnik umożliwia przeprowadzenie procesu. Teoretycznie energia potrzebna do podziału cząsteczki wody wynosi 1,23 eV, dlatego do jej rozbicia konieczny jest półprzewodnik o przerwie elektronowej (band gap) wyższej niż 1,23 eV (większość znanych nam półprzewodników ma większą przerwę, lecz np. nie krzem którego przerwa elektronowa wynosi 1,12 eV) oraz foton światła o energii powyżej 1,23 eV (warunek spełniają fotony światła widzialnego oraz ultrafioletowego czyli ok. 80% promieniowania słonecznego).
Rysunek 1. Schemat procesu fotokatalitycznego rozbicia wody [http://tio2concurrentabilities.weebly.com/article-2.html]
Realnie fotokatalityczny proces rozbicia wody wymaga fotonu o wyższej energii oraz półprzewodnika o większej przerwie elektronowej ze względu na konieczność przekroczenia także energii aktywacji reakcji. W praktyce proces rozbicia wody zaobserwowano przy wykorzystaniu półprzewodników o przerwie elektronowej powyżej 2,6 eV. Dość często używanym materiałem jest dwutlenek tytanu (TiO2) o przerwie 3,2 eV, wspierany dodatkowo katalizatorem w postaci kobaltu lub rutenu.
Wodór ze słońca
Fotokatalityczne rozbicie wody jest interesującym procesem z punktu widzenia energetyki. Prognozy średnioterminowe i długoterminowe wskazują na wzrost wykorzystania wodoru jako nośnika energii, który może być wytwarzany bez nadmiernej szkody dla środowiska oraz transportowany na duże odległości i wykorzystywany w ogniwach paliwowych lub poprzez spalanie w turbinach (stąd określenie: wodór jako paliwo przyszłości). Produkowanie wodoru poprzez hydrolizę wody wymaga dwukrotnej konwersji energii: np. ze Słońca lub wiatru w energię elektryczną, a następnie poprzez hydrolizę w wodór). Fotokatalityczne rozbicie wody umożliwia bezpośrednią zamianę energii słonecznej w wodór.
Daleka droga do celu
Pomimo dość długiej historii zajmowania się przez naukowców zagadnieniem rozbicia wody przy udziale światła obecne rozwiązania nie wychodzą poza skalę laboratoryjną lub doświadczalną. Poza kwestią sprawności danego procesu, która w chwili obecnej wynosi maksimum 14% (osiągnięte w 2015 roku przez grupę niemieckich badaczy) kwestą problematyczną jest również separacja oraz gromadzenie wytworzonego wodoru. Każda dziedzina nauki czeka jednak na swoją szansę i czas. Może naśladowanie roślin przez człowieka doprowadzi kiedyś do bardziej racjonalnego i zrównoważonego wykorzystywania zasobów, jakimi obdarzyła nas natura?
Autor: Marek Duda
