Článek
Pokročilou fotokatodu vyvinuli a ve vědeckém článku prezentovali vědkyně a vědci z chemické sekce Přírodovědecké fakulty (PřF) UK pod vedením Pavly Eliášové ve spolupráci s Tomášem Hrbkem z Matematicko-fyzikální fakulty (MFF) UK.
„Přeměna oxidu uhličitého na užitečná paliva pomocí sluneční energie představuje svatý grál moderní zelené chemie. Zařízení, které tuto přeměnu umožňuje, se nazývá solární reaktor. Klíčovým prvkem je v něm fotokatoda: materiál, který pohlcuje světlo a umožňuje chemickou reakci,“ uvedla Pavla Eliášová s tím, že nová technologie současně řeší letitý problém rozpadu materiálu ve vodě.
Na výrobu rozpouštědel i kořalky
Zajímavostí je, že kromě chemického průmyslu by se daná metoda mohla používat i v potravinářství pro výrobu destilátů. „Ano, je to možné. Záleží, k čemu bude daný proces koncový výrobce chtít používat,“ reagovala vědkyně na dotaz Novinek, zda by se takto dala vyrábět pálenka ke konzumaci.
K danému procesu přeměny na líh se jako ideální materiál dlouho jevil oxid měďný, protože je levný, dostupný a skvěle zachytává sluneční paprsky. V praxi však narážel na zásadní překážku: ve vodním prostředí se pod vlivem světla extrémně rychle přeměňuje a rozpadá, podobně jako když železo podléhá rychlé korozi, a svou funkci ztratí už během desítek minut.
Tým českých vědců problém vyřešil vytvořením unikátního „nano-sendviče“. Vědci zkombinovali oxid měďný s pokročilými dvourozměrnými materiály zvanými MXeny a přesně řízeným zahřátím vytvořili na jejich povrchu ultratenkou vrstvu oxidu titaničitého.
Takto upravený MXen dokáže z oxidu měďného bleskově odvést elektrický náboj, a tím zpomalovat jeho rozklad. Zároveň náboj dál využije k přeměně oxidu uhličitého na kapalné palivo.
„Povrchově upravený MXen ve spojení s oxidem měďným nám umožnil spojit to nejlepší z obou materiálů. Měděný základ umožňuje maximální využití energie světla, zatímco vodivá konstrukce MXenu zajišťuje, že je materiál aktivní i po mnohahodinovém provozu,“ vysvětlila Eliášová.
Rekordní účinnost přeměny sluneční energie na etanol
Při laboratorních testech dosáhla nová fotokatoda rekordní účinnosti přeměny sluneční energie na etanol ve výši 2,74 procenta. Zásadním zlepšením je vznik pouze jednoho produktu. Zatímco jiné systémy často vytvářejí směs vedlejších produktů, materiál navržený výzkumným týmem produkuje jako jediný kapalný produkt čistý etanol, což výrazně zjednodušuje jeho potenciální průmyslové využití.
„Je to pro nás velký krok dopředu. V našem laboratorním měřítku systém funguje velmi dobře a produkuje etanol po mnoho hodin. V dalším kroku chceme ještě více upevnit stabilitu celé fotokatody a začít s testy ve větším měřítku a za skutečného denního světla,“ dodala fyzikální chemička Eliášová.
Výzkum vznikl v rámci mezinárodního evropského projektu DESIRED (Horizon Europe) za podpory Výzkumného centra UK (UNCE) a programu L'Oréal-UNESCO Pro ženy ve vědě.
Ilustrace chemického procesu přeměny oxidu uhličitého na ethanol pomocí slunečních paprsků ukazuje krok za krokem, jak k tomu dochází.
