Wytwarzanie czystego wodoru inspirowane roślinami
Wodór może zrewolucjonizować europejski koszyk energetyczny, będąc źródłem czystej energii i zmniejszając zależność kontynentu od paliw kopalnych. Przeszło 95 % obecnych metod produkcji wodoru generuje duże ilości gazów cieplarnianych, co oznacza, że nie jest on jeszcze czysty. Zespół projektu CLEANH2, finansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), szukał inspiracji w fotosyntezie roślin, aby opracować nowe, czystsze sposoby wytwarzania wodoru. Zespół CLEANH2, kierowany przez Nicolasa Boschera(odnośnik otworzy się w nowym oknie) z Luksemburskiego Instytutu Nauki i Technologii, opracował szereg polimerów, które naśladują proces fotosyntezy, rozszczepiając wodę w celu uzyskania czystego wodoru. „Od ponad 3 miliardów lat w naturze odbywa się proces rozszczepiania wody za pomocą światła słonecznego”, wyjaśnia Boscher, koordynator projektu CLEANH2. „Fotokatalityczne rozszczepianie wody, znane również jako sztuczna fotosynteza, wykorzystuje światło do rozszczepiania cząsteczek H2O na wodór (H2) i tlen (O2)”, wyjaśnia.
Tworzenie polimerów wykorzystujących fotosyntezę
W przypadku nowej generacji polimerów rozszczepiających wodę, zespół wykorzystał cząsteczki znane jako metaloporfiryny, związki macierzyste fotosyntetyzującego chlorofilu występującego w roślinach. Metaloporfiryny są dobrymi kandydatami do wykorzystania w procesie rozszczepiania wody, ponieważ mogą łatwo przechodzić między stanami utlenienia, aby wywoływać reakcje elektrochemiczne i wytwarzać wodór. Aby stworzyć nowe fotokatalizatory polimerowe, naukowcy połączyli ze sobą spolimeryzowane metaloporfiryny. Powstałe w ten sposób polimery są w stanie absorbować światło i przekształcać je w energię, a także umożliwiają przeprowadzanie reakcji elektrochemicznych w celu wytworzenia wodoru. „Sprzężone wiązania kowalencyjne utworzone między metaloporfirynami podczas ich polimeryzacji zapewnia efekt współpracy, ułatwiając przenoszenie ładunku i zwiększając aktywność katalityczną”, wyjaśnia Boscher. Produkcja takich polimerów nie jest jednak prosta. Syntezę i praktyczne zastosowanie polimerów na bazie metaloporfiryn ogranicza ich niska rozpuszczalność w cieczach. Zespół przyjął więc inne podejście, oparte na wykorzystaniu związków w stanie gazowym. Dzięki tej metodzie zespołowi udało się z powodzeniem wyprodukować szereg nowych polimerów, bezpośrednio syntetyzowanych w postaci cienkich warstw. Oznacza to, że mogli z łatwością zbadać ich zdolność do rozszczepiania wody i produkcji wodoru.
Badanie nowych procesów katalitycznych
„Metaloporfirynoidy zostały wybrane przez naturę do przeprowadzania wielu ważnych reakcji katalitycznych - fotosyntezy przez chlorofile, oddychania przez cytochromy, a także metabolizmu i związanej z nim witaminy B12”, zauważa Boscher. „Możliwość precyzyjnego dostrajania właściwości cienkich warstw polimerowych na bazie metaloporfiryny, takich jak warstwy uzyskane w ramach projektu CLEANH2, otwiera drogę do usprawnienia innych ważnych procesów katalitycznych”. Naukowcy wykorzystają teraz uzyskane rezultaty w celu opracowania katalizatorów polimerowych opartych na metaloporfirynach, aby przetwarzać światło słoneczne i proste cząsteczki surowca w paliwo lub zaawansowane związki chemiczne. Dotychczas badaczom udało się zaprojektować i opracować takie katalizatory do wysokowydajnej i selektywnej konwersji azotanów występujących w wielu strumieniach odpadów w amoniak.
Rewolucja w produkcji czystego wodoru w Europie
Badacze planują obecnie syntezę jeszcze bardziej zaawansowanych związków chemicznych dzięki wsparciu finansowanego z programu ramowego Horyzont projektu SUN2CN, którego koordynatorem również jest Boscher. Celem tego projektu jest opracowanie samodzielnego urządzenia pozwalającego na przetwarzanie prostych, niskoenergetycznych cząsteczek znajdujących się w strumieniach odpadów w cenne związki chemiczne węgiel-azot (C-N), wykorzystując światło słoneczne jako jedyne źródło energii. „Związki chemiczne C-N, takie jak mocznik i metyloamina, kluczowe dla rolnictwa i przemysłu farmaceutycznego, są istotnie związane ze zdrowiem ludzi i jakością życia”, mówi Boscher. „Sukces tych badań i skuteczny rozwój urządzenia Solar-to-X wyeliminują potrzebę korzystania z zasobów kopalnych i energochłonnej produkcji amoniaku”, dodaje Boscher. „Celem projektu SUN2CN jest przełom w sektorach chemicznym i energetycznym”.
