liść

Naukowcy opracowali sztuczne liście – produkują tlen i metanol

Fotosynteza, czyli proces przemiany energii słonecznej i dwutlenku węgla w glukozę i tlen to wynalazek natury, bez którego nie moglibyśmy istnieć. Problem w tym, że roślin jest coraz mniej, a dwutlenku węgla mamy coraz więcej. Naukowcy postanowili wykorzystać znane nam już od dawna reakcje i zbudować sztuczne liście.

Polska to kraj uzależniony od energetyki napędzanej w 80 proc. paliwami kopalnymi. Oznacza to, że emitujemy mnóstwo dwutlenku węgla do atmosfery. Duże placówki energetyczne, takie jak elektrownie zasilane węglem kamiennym lub brunatnym mogą ograniczyć emisje stosując metody tzw. sekwestracji (wychwytu) powstałego w wyniku spalania kopalin dwutlenku węgla. Proces ten określany skrótem CCS (od anglojęzycznego zwrotu Carbon Capture and Storage) pozwala wyłapać emitowany CO2 i część jego wykorzystać (np. w przemyśle spożywczym), a część składować pod ziemią. Proces ten jest kosztowny i w zasadzie opłacalny tylko w przypadku największych emitentów dwutlenku węgla (wielkie elektrownie, przemysł chemiczny itp.). Zespół badaczy pod przewodnictwem profesora inżynierii Yimina A. Wu z  Waterloo Institute for Nanotechnology współpracującego z naukowcami z Center for Nanoscale Materials w Argonne National Laboratory uzyskali coś w rodzaju „sztucznych liści” – wytworzony materiał jest zdolny do fotosyntezy wykorzystując energię słoneczną i atmosferyczny dwutlenek węgla. Odmienne – w stosunku do tego co wypracowała natura – są jednak produkty tego procesu. Zamiast glukozy i tlenu, badacze otrzymali tlen i metanol.

Prof Yimin Wu
Profesor Yimin Wu – to jego zespół jako pierwszy uzyskał opisywaną reakcję redukcji dwutlenku węgla do metanolu (fot. University of Waterloo)

Rośliny zielone w procesie fotosyntezy wykorzystują chlorofile, grupę związków organicznych charakteryzujących się zdolnością wychwytu kwantów światła. Zielony kolor roślin to zasługa właśnie chlorofili, które absorbują promieniowanie słoneczne przede wszystkim w niebieskim i czerwonym przedziale widma światła białego. Absorbcja w przedziale długości fal elektromagnetycznych rzędu 500-600 nm jest mniejsza, zatem ta część widma jest odbijana, w efekcie nasze mózgi interpretują odbite od powierzchni roślin fotony jako światło o barwie zielonej. Pochłonięte przez chlorofile znajdujące się w tkankach roślin promieniowanie świetlne jest zamieniane na energię wiązań chemicznych, co w połączeniu z pobraną przez rośliny wodą i dwutlenkiem węgla pozwala roślinom wytworzyć pokarm dla komórek (glukozę) oraz produkt uboczny – tlen.

Reklama

Zespół profesora Wu nie użył chlorofili. W tym przypadku za katalizator reakcji posłużył tlenek miedzi. Tani czerwony proszek opracowany w taki sposób, by wyróżniał się interesującą strukturą chemiczną – ma mnóstwo ośmiostronnych cząstek. Tlenek miedzi badacze otrzymali w wyniku dodania do podgrzanej do odpowiedniej temperatury wody glukozę, octan miedzi, wodorotlenek sodu i dodecylosiarczan sodu, a następnie utrzymania temperatury przez pewien czas. Poniższe zdjęcie pokazuje ten proces.

Wytwarzanie tlenku miedzi (fot. University of Waterloo)
Wytwarzanie tlenku miedzi (fot. University of Waterloo)

Uzyskany tlenek miedzi jest dodawany do wody, równocześnie pompowany jest dwutlenek węgla, a roztwór jest naświetlany światłem słonecznym. Produktami powstałej w ten sposób reakcji chemicznej są tlen oraz metanol. Metanol jest oczywiście rozpuszczony w wodzie (miesza się z wodą w każdym stosunku), ale można go łatwo oddzielić poprzez podgrzanie (metanol ma niższą od wody temperaturę wrzenia: 64,7 st. C). Metanol może być wykorzystywany jako paliwo. Tym samym cały proces jest nie tylko sposobem na zmniejszenie ilości dwutlenku węgla w atmosferze, ale także na zastąpienie aktualnie stosowanych paliw węglowodorowych pozyskiwanych ze źródeł kopalnych metanolem.

Zaletą sposobu sztucznej fotosyntezy opracowanej przez zespół profesora Wu jest niski koszt całego procesu, co z kolei pozwala zastosować go w wielu miejscach. Kluczem do sukcesu jest nanostruktura tlenku miedzi w roli katalizatora, czyli duża ilość ośmiościennych struktur krystalicznych w tym związku. To o tyle istotne, że reakcję redukcji dwutlenku węgla do metanolu z udziałem katalizatora miedziowego znamy od dawna, ale nigdy nie uzyskano tak wysokowydajnego fotokatalizatora jak naukowcy kierowani przez profesora Wu. Zainteresowanych szczegółami naukowymi tego osiągnięcia odsyłam do publikacji w serwisie Nature. | CHIP

1
Zamknij

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.