Zrobili wodór ze światła. Może wreszcie będzie zielonym paliwem
Nowy fotokatalizator wytwarza wodór z wody i światła. I to bez dodatków chemicznych. Co istotne, działa nawet z wykorzystaniem morskiej wody.
Wodór od lat pojawia się w opowieściach o energetyce przyszłości jak uniwersalne paliwo marzeń. Spala się czysto, nie produkuje spalin ani sadzy, a po wykorzystaniu zostawia wyłącznie wodę. Tyle że za kulisami jest mniej efektownie. Dziś zdecydowana większość wodoru powstaje z gazu ziemnego i innych paliw kopalnych, co wiąże się z emisją dwutlenku węgla. Trudno nazwać to więc prawdziwie zielonym paliwem.
Nowa praca opublikowana w Journal of the American Chemical Society, przygotowana m.in. z udziałem naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego, pokazuje, że ten scenariusz można zacząć zmieniać. Badacze przedstawiają fotokatalizator, który pod wpływem światła wytwarza wodór bezpośrednio z wody – bez żadnych dodatkowych chemicznych podpórek i co ważne, działa również w wodzie morskiej. To nie jest gotowe urządzenie do postawienia przy rafinerii, ale kierunek jest jasny: bardziej przypomina to sztuczną fotosyntezę niż przemysłowy makijaż emisji.
Zielony wodór miał być idealny. Rzeczywistość szybko studzi entuzjazm
Sama idea jest pozornie prosta: wykorzystać światło, by rozbić cząsteczkę wody na wodór i tlen. W praktyce to jedna z najtrudniejszych do opanowania reakcji. Po pierwsze, rozdzielenie ładunków w materiale pochłaniającym światło wymaga precyzyjnie dobranej struktury. Po drugie, szczególnie kłopotliwa jest część odpowiedzialna za powstanie tlenu – wymaga przeprowadzenia kilku transferów elektronów i zbudowania wiązania między atomami tlenu w uporządkowany sposób.
Przez lata wiele zespołów radziło sobie z tym, stosując tzw. sacrificial reagents, czyli substancje pomocnicze, które poświęcają się w reakcji. Dzięki nim fotokatalizator działa sprawniej, ale wodór przestaje być produktem czystego rozszczepiania wody. W roztworze pojawiają się utlenione produkty uboczne, a w skrajnym przypadku także dwutlenek węgla. Do tego takie dodatki trzeba kupować, dozować, a potem usuwać z obiegu, co w skali przemysłowej oznacza koszty i dodatkową infrastrukturę.
Do tego dochodzi kwestia samej wody. Teoretycznie idealnym surowcem byłaby woda morska, bo jest jej najwięcej. W praktyce jednak chlorki, sole i różne domieszki łatwo niszczą powierzchnię wielu katalizatorów albo blokują ich aktywne miejsca, przez co materiały szybko tracą sprawność.
Cienka warstwa, wielki efekt. Nikiel robi tu robotę
W centrum nowej technologii znajduje się grafitowy azotek węgla (g-C3N4), czyli cienka, regularna sieć z atomów węgla i azotu, przypominająca pojedynczą kartkę o wyjątkowych właściwościach. Materiał nie tylko dobrze znosi warunki chemiczne, ale też pochłania światło i umożliwia reakcje na swojej powierzchni. Naukowcy postanowili jednak ulepszyć jego strukturę, wbudowując grupy cyjanowe (–C≡N) w pierścień aromatyczny.
Zmiana ta wydłuża układ sprzężonych wiązań, co zwiększa efektywność pochłaniania światła i ułatwia rozdzielanie powstałych ładunków – zamiast znikać w postaci ciepła, elektrony i dziury mają szansę wykonać użyteczną pracę chemiczną. Najważniejszy element stanowi jednak nikiel, zastosowany w formie katalizatora jednoatomowego. Zamiast tworzyć skupiska, pojedyncze atomy metalu są rozproszone na powierzchni nośnika, co maksymalizuje ich aktywność i umożliwia precyzyjne sterowanie reakcjami chemicznymi, np. rozkładem cząsteczek wody.
Jak czytamy na łamach Nauka w Polsce, potwierdzenie obecności niklu jako pojedynczych atomów wymagało zaawansowanych technik, takich jak spektroskopia absorpcji rentgenowskiej (XAS), która pozwala zajrzeć w bezpośrednie otoczenie atomu i sprawdzić, z czym dokładnie jest związany.
Wodór, nadtlenek i dopiero potem tlen
Najciekawszy element nowej pracy dotyczy tego, jak badacze obeszli się z najbardziej wymagającą częścią całego procesu, czyli powstawaniem tlenu. Zamiast próbować wymusić przebieg klasycznej wieloetapowej reakcji, rozbili ją na dwa kroki, które dla materiału są dużo lżejsze.
W pierwszym etapie, pod wpływem światła, z wody powstaje jednocześnie wodór oraz nadtlenek wodoru H2O2 – ten sam związek, który znamy z apteki jako wodę utlenioną. W drugim kroku H2O2 ulega samorzutnej przemianie, czyli dysproporcjonowaniu, wracając do postaci tlenu i wody.
Badacze pokazują to eksperymentalnie, śledząc stężenie nadtlenku i wodoru w czasie. Na początku ilość H2O2 rośnie, równolegle z wydzielaniem wodoru, a później zaczyna spadać, podczas gdy produkcja H2 trwa. To chemiczny odcisk palca dwuetapowego mechanizmu, w którym nadtlenek wodoru pełni funkcję krótkotrwałego pośrednika, a nie trwałego odpadu.
Liczby, które robią wrażenie. Także w wodzie morskiej
Choć nowy fotokatalizator nie ustanawia rekordu w tempie produkcji wodoru, wyróżnia się solidną kombinacją istotnych cech: nie wymaga chemicznych dodatków, dobrze znosi kontakt z wilgocią i solą oraz utrzymuje stabilność przez długi czas. W czystej wodzie, przy oświetleniu lampą UV o długości fali 390 nm, osiągał wydajność 270 mikromoli wodoru na gram katalizatora na godzinę. Co ważne, działał także w warunkach rzeczywistych – w wodzie morskiej z Morza Północnego uzyskano 144 mikromole na gram na godzinę. W świetle słonecznym wydajność spada, co jest naturalne, ale reakcja nadal przebiega, a materiał nie traci aktywności.
W testach obejmujących ponad 720 godzin – w tym około 140 godzin naświetlania – katalizator zachował sprawność, co czyni go obiecującym kandydatem do zastosowań w zróżnicowanych, niesterylizowanych środowiskach, gdzie odporność na czynniki zewnętrzne i trwałość są równie ważne jak szybkość reakcji.
Mniej chemii, mniej wody słodkiej, więcej sensu klimatycznego
Znaczenie tej pracy nie sprowadza się tylko do wysokiej wydajności czy stabilności nowego katalizatora. Chodzi tak naprawdę o zmianę podejścia do wodoru jako paliwa przyszłości. Jeśli ma on naprawdę wspierać redukcję emisji, jego produkcja nie może opierać się na procesach zużywających dodatkowe chemikalia, generujących odpady i pochłaniających zasoby wody pitnej. Nowy fotokatalizator nie wymaga ofiarnych reagentów, znosi obecność soli i pracuje w wodzie morskiej.
Przeczytaj także:
Jego konstrukcja oparta jest na stabilnym nośniku z azotku węgla z osadzonymi pojedynczymi atomami niklu, co łączy prostotę materiałową z wysoką skutecznością. Choć do zastosowań przemysłowych jeszcze daleko – pozostają pytania o koszty, projekt reaktora czy opłacalność – to badanie pokazuje, że możliwe są czystsze, prostsze i bardziej zrównoważone drogi do produkcji wodoru. Jeśli to paliwo ma rzeczywiście odegrać rolę w zielonej transformacji, właśnie takie kierunki mogą przesądzić o jego przyszłości w energetyce i przemyśle.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
Jest tego więcej
Ustaw Spider’s Web jako preferowane medium w Google
