„No bird flies faster than a plane… Chemists may invent an artificial tree that is much more efficient that natural plants!”
W czym problem?
Światło słoneczne jest bardziej rozpowszechnionym źródłem energii niż jakiekolwiek inne źródło dostępne na Ziemi. Wielu naukowców rozważa wykorzystanie światła słonecznego w procesie wytwarzania paliw jako najlepsze i zasadnicze rozwiązanie pozwalające otrzymywać czystą i całkowicie bezpieczną energię w przyszłości. Spośród zasilanych energią słoneczną procesów, do najbardziej obiecujących należy rozkład wody z utworzeniem wodoru oraz redukcja ditlenku węgla.
Dwutlenek węgla jest aktualnie jednym ze „złych aktorów” na scenie politycznej, gospodarczej i środowiskowej świata. Od początku rewolucji przemysłowej, gdy wzrosło zużycie paliw, stężenie CO2 w powietrzu systematycznie rośnie. Emisja ditlenku węgla wzrosła w ostatnich 40 latach z 21 do 30 gigaton, a stężenie tego gazu w powietrzu szacowane jest na około 440 ppm. Aktualnie, intensywnie badany jest wpływ zwiększonego stężenia dwutlenku węgla na atmosferę, jak również prowadzone są prace mające na celu ograniczenie emisji CO2. Rządy wielu krajów pokładają nadzieję i środki w rozwoju wolnych od emisji dwutlenku węgla źródeł, takich jak elektrownie jądrowe, wykorzystanie energii słonecznej, wiatrowej czy geotermalnej. Powstają liczne inicjatywy badań mających na celu rozwój technologii czystych paliw, inteligentnych sieci energetycznych czy wykorzystania biopaliw. Jest to szczególnie istotne również ze względu na wyczerpujące się zasoby paliw kopalnych stanowiących główne źródło energii i surowców na świecie.
Wykorzystanie ditlenku węgla w innowacyjnych procesach takich jak fotochemiczna redukcja może przyczynić się do zmniejszenia jego immisji, a zarazem otworzyć drogę do syntezy zarówno czystych paliw jak i zaawansowanych związków organicznych. Natura podaje rośliny jako przykład konwersji CO2 do wysoceenergetycznych molekuł używając światła słonecznego jako źródła energii. Tym procesem jest fotosynteza, jeden z kluczowych i najlepiej przebadanych lecz niezrozumiałych procesów zachodzących w przyrodzie. Powtórzenie procesu fotosyntezy w warunkach laboratoryjnych, a następnie transfer do skali przemysłowej będzie rozwiązaniem dwóch problemów, z którymi musi zmierzyć się ludzkość w bliskiej przyszłości: problemu rosnącego stężenia CO2 w atmosferze oraz problemu braku paliw i surowców do przemysłowych syntez organicznych. Pomysł sztucznej fotosyntezy powstał wiele lat temu, lecz wówczas wydawał się abstrakcyjny, dziś pomysł ten staje się rzeczywistością.
Chemicy znają narzędzia pozwalające naśladować proces fotosyntezy spośród których najbardziej obiecujące wydają się być metody oparte na fotokatalizie (fotokataliza homo- i heterogeniczna). Fotokatalizatory heterogeniczne to najczęściej materiały oparte na półprzewodnikach. Absorpcja kwantów światła o energii równej szerokości pasma wzbronionego lub większej prowadzi do wygenerowania elektronu i dziury odpowiednio w paśmie przewodnictwa (CB) i walencyjnym (VB). Ładunki te mogą migrować w obrębie kryształu półprzewodnika, a w pobliżu jego powierzchni mogą być pułapkowane tworząc reaktywne centra. Wygenerowane reaktywne powierzchniowe centra uczestniczą w procesach międzyfazowego przeniesienia elektronu z udziałem zaadsorbowanych na powierzchni fotokatalizatora akceptora A i donora D. Kolejne reakcje pierwotnych produktów redukcji i utleniania, A–• i D+•, prowadzą do powstania trwałych produktów Ared i Dox. Z kolei fotokataliza homogeniczna wykorzystuje zjawisko absorpcji światła przez molekuły związków koordynacyjnych, metaloorganicznych i innych tworzących układy homogeniczne.
Wykorzystanie fotokatalizatorów półprzewodnikowych w reakcji redukcji ditlenku węgla może prowadzić do utworzenia takich związków jak chociażby metan, metanol czy monotlenek węgla, któe to produkty mogą zostać użyte jako trwałe i łatwe w transporcie wysokoenergetyczne paliwa jak i surowce do wielu przemysłowych syntez chemicznych.
Co na to przemysł
Zmiany klimatyczne oraz nieuchronnie kurczące się zasoby paliw kopalnych zmuszą w przyszłości ludzkość do intensywnego zreorganizowania wielu dziedzin życia i przemysłu (w tym głównie energetyki). Już teraz potrzeba jest szeroko zakrojonych badań naukowych w ścisłej współpracy z przemysłem i rządami wielu krajów, aby poszukiwać innowacyjnych rozwiązań możliwych do wdrożenia w skali przemysłowej i uniezależnić ludzkość od paliw kopalnych.
Dotychczas głównymi surowcami przemysłu chemii organicznej była ropa naftowa, węgiel kamienny, gaz ziemny i ich pochodne. Wraz z rozwojem technologii opartych na redukcji ditlenku węgla do związków organicznych (w tym technologii fotokatalitycznych) powstaną nowe ścieżki przemysłowe, które w dłuższej perspektywie czasowej mogą wypierać paliwa kopalne jako główne surowce w przemyśle chemicznym.
Na Wydziale Chemii UJ realizowany jest projekt Fundacji na rzecz Nauki Polskiej Ventures „Opracowanie hybrydowych fotokatalizatorów półprzewodnikowych do redukcji ditlenku węgla” mający na celu otrzymanie nowych materiałów do fotokatalitycznej redukcji ditlenku węgla. Projekt ten jest współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka.
Więcej informacji na http://www.photons.com.pl/
