Ένα νέο φωτοενεργό υλικό από το Oregon State University δείχνει ότι η παραγωγή υδρογόνου από νερό μπορεί να γίνει χωρίς την προσθήκη ακριβού μεταλλικού καταλύτη. Το MOF BVR-19 αξιοποιεί μια ασυνήθιστη χημεία με βάση το θείο για να μεταφέρει την ενέργεια του φωτός σε μια αντίδραση που παράγει υδρογόνο.
Το υλικό που ενεργοποιείται με φως
Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον Kyriakos Stylianou, μελέτησε μια κατηγορία πορωδών κρυσταλλικών υλικών που ονομάζονται metal-organic frameworks ή MOFs. Η δομή τους αποτελείται από μεταλλικά ιόντα και οργανικά μόρια-συνδέτες, ενώ οι μικροσκοπικοί πόροι τους μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να αποκτούν διαφορετικές ιδιότητες.
Στη συγκεκριμένη εργασία, το ενδιαφέρον στράφηκε στο BVR-19. Το υλικό περιέχει έναν ασυνήθιστο δεσμό θείου-θείου, ο οποίος σπάει προσωρινά όταν απορροφά φως. Έτσι δημιουργούνται ιδιαίτερα δραστικά είδη θείου που βοηθούν στη μετακίνηση ηλεκτρονίων και στην παραγωγή υδρογόνου από το νερό.
Γιατί έχει σημασία η απουσία ακριβού καταλύτη
Σε πολλές τεχνολογίες παραγωγής υδρογόνου, το βασικό πρόβλημα δεν είναι μόνο η χημική αντίδραση αλλά και το κόστος των υλικών που την επιταχύνουν. Το BVR-19 ακολουθεί διαφορετική σχεδιαστική λογική: ο οργανικός πυρήνας του υλικού απορροφά την ενέργεια του φωτός και αναλαμβάνει μεγαλύτερο μέρος της χημείας, αντί να βασίζεται κυρίως στα μεταλλικά άτομα.
Η προσέγγιση αυτή δεν σημαίνει ότι το υλικό είναι έτοιμο για εμπορική χρήση. Δείχνει όμως έναν τρόπο σχεδιασμού MOF που θα μπορούσε να περιορίσει την ανάγκη για πρόσθετους ακριβούς μεταλλικούς καταλύτες και να κάνει απλούστερα τα συστήματα παραγωγής ηλιακών καυσίμων.
Μια διαδικασία με χαμηλότερες ενεργειακές απαιτήσεις
Το BVR-19 σχηματίζεται αυθόρμητα σε υδατικό διάλυμα και σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό είναι σημαντικό επειδή η σύνθεση ενός καταλύτη μπορεί να απαιτεί ενέργεια, διαλύτες και σύνθετα στάδια επεξεργασίας. Αν η ίδια συμπεριφορά διατηρηθεί σε μεγαλύτερη κλίμακα, η διαδικασία παρασκευής θα μπορούσε να γίνει λιγότερο απαιτητική.
Η παραγωγή υδρογόνου με διάσπαση του νερού μπορεί να είναι καθαρότερη από τη συμβατική μέθοδο, την αναμόρφωση μεθανίου με ατμό, η οποία απελευθερώνει διοξείδιο του άνθρακα. Ωστόσο, το περιβαλλοντικό όφελος εξαρτάται και από την πηγή της ενέργειας. Το υδρογόνο που παράγεται με ηλεκτρόλυση ή φωτοκατάλυση είναι πραγματικά πιο βιώσιμο όταν η απαιτούμενη ενέργεια προέρχεται από χαμηλού άνθρακα ή ανανεώσιμες πηγές.
Από την εργαστηριακή επίδειξη στην εφαρμογή
Η μελέτη δεν παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη βιομηχανική μονάδα ούτε αποδεικνύει ότι το BVR-19 μπορεί ήδη να ανταγωνιστεί το κόστος των σημερινών μεθόδων. Η αντοχή του υλικού, η απόδοσή του σε συνεχή λειτουργία, η καθαρότητα των προϊόντων και η κλιμάκωση της σύνθεσης είναι ζητήματα που πρέπει να εξεταστούν σε επόμενα πειράματα.
Η αξία του αποτελέσματος βρίσκεται κυρίως στους νέους κανόνες σχεδιασμού που προτείνει. Οι ερευνητές αναφέρουν ότι, αλλάζοντας το μέταλλο και κρατώντας την υπόλοιπη δομή σχεδόν ίδια, μπόρεσαν να καταλάβουν γιατί ορισμένες εκδοχές του MOF λειτουργούν καλύτερα. Αυτή η γνώση μπορεί να βοηθήσει στην αναζήτηση πιο αποτελεσματικών υλικών για παραγωγή καυσίμων με το φως του ήλιου.