Sztuczna fotosynteza na potrzeby wytwarzania paliwa słonecznego
Energia słoneczna występuje wszędzie i często w dużych ilościach, nawet w gęsto zaludnionych obszarach oraz w Europie Północnej. Dostępne jest wystarczająco dużo energii słonecznej, aby umożliwić przejście ze stosowania paliw kopalnych, pomimo obecnie małej wydajności procesów konwersji energii słonecznej na energię elektryczną lub paliwa słoneczne. Aby umożliwić powszechne stosowanie energii słonecznej, konieczne jest opracowanie wydajnych procesów. Zespół projektu ARTIPHYCTION (Fully artificial photo-electrochemical device for low temperature hydrogen production) inspirował się naturalnym procesem fotosyntezy zachodzącym u roślin w celu przekształcania energii słonecznej na wodór. Podczas fotosyntezy enzym fotosystem II (PSII) umożliwia liściom rośliny i glonom rozszczepienie wody na elektrony, tlen i jony wodoru w temperaturze pokojowej. Jony wodorowe mogą następnie zostać połączone w znaczne ilości wodoru za pomocą specjalnego enzymu o nazwie hydrogenaza. Wykorzystanie w ten sposób światła słonecznego jest jednym z najbardziej obiecujących procesów przetwarzania jego energii w wodór. Partnerzy projektu ARTIPHYCTION korzystali z efektów pionierskich prac prowadzonych w ramach poprzedniego finansowanego ze środków UE projektu, SOLHYDROMICS, którego zespół opracował urządzenie do konwersji energii słonecznej na wodór z całkowitą wydajnością na poziomie 1%. Partnerzy projektu przezwyciężyli ograniczenia urządzenia SOLHYDROMICS i osiągnęli wydajność wytwarzania wodoru z energii słonecznej na poziomie 10% przy wykorzystaniu nowego urządzenia do sztucznej fotosyntezy. Jest ono wyposażone w specjalny przystosowany elektrochemicznie katalizator na anodzie, gdzie rozszczepiana jest woda. Wytworzone elektrony są przekazywane poprzez porowatą, przewodzącą elektrony warstwę szkła do zewnętrznego połączenia przewodowego, a tlen jest usuwany poprzez pory hydrofobowe warstw anodowych. Fale wytworzone przez zmiany ciśnienia zastosowanego na warstwę wody oddzielającą dwie elektrody ułatwiają usuwanie tlenu. Woda znajdująca się pomiędzy dwoma elektrodami pełni również rolę szlaku dla protonów, które są przenoszone do katody przy minimalnym oporze. Naśladujący hydrogenazę katalizator syntetyczny na porowatej katodzie zapewnia końcową redukcję protonów. Urządzenie opracowane w ramach projektu ARTIPHYCTION wykorzystuje w miarę efektywnie i stabilnie elektrokatalizę, nie zaś naturalną hydrogenazę. Aby usprawnić proces fotoelektrochemicznego rozszczepiania wody, do elektrod podłączony jest tandemowy system fotosensybilizatorów wychwytujących określone długości fal światła. Poprzez połączenie wiedzy naukowej uczelni i ośrodków badawczych z wiedzą o rynku komercyjnym posiadaną przez małe i średnie przedsiębiorstwa oraz duże firmy zespół projektu ARTIPHYCTION rozwiązał kilka problemów technicznych. Oczekuje się, że nowe urządzenie do syntetycznej fotosyntezy zostanie skomercjalizowane w ciągu najbliższych dziesięciu lat.
Słowa kluczowe
Fotosynteza, paliwa słoneczne, energia słoneczna, wodór, ARTIPHYCTION, elektrokatalizatory
