Cercetătorii dezvoltă o nouă familie de materiale pentru conversia eficientă a luminii solare în energie curată
Cercetătorii de la Universitatea de Stat din Oregon au dezvoltat o nouă familie de materiale care folosesc lumina pentru a produce hidrogen din apă, deschizând calea către noi metode de transformare a razelor solare în energie curată.
O colaborare condusă de Kyriakos Stylianou de la Colegiul de Științe al Universității de Stat din Oregon a creat un fotocatalizator care permite producția rapidă și eficientă de hidrogen. Hidrogenul este utilizat în celulele de combustie pentru automobile, în fabricarea multor substanțe chimice, inclusiv amoniac, în rafinarea metalelor și în producția de materiale plastice.
Un catalizator este o substanță care crește viteza unei reacții chimice fără a suferi ea însăși modificări chimice permanente, a explicat Stylianou. Fotocatalizatorii absorb lumina pentru a atinge un nivel energetic superior și pot folosi această energie pentru a accelera reacțiile.
Rezultatele, publicate în Journal of the American Chemical Society, introduc un potențial instrument nou în lupta împotriva emisiilor de gaze cu efect de seră și a schimbărilor climatice, a declarat Stylianou, a cărui cercetare se concentrează asupra materialelor cristaline și poroase cunoscute sub numele de rețele metal-organice, sau MOF-uri.
Milioane de rețele posibile
Formate din ioni metalici încărcați pozitiv înconjurați de molecule organice de legătură, MOF-urile au pori de dimensiuni nanometrice și proprietăți structurale reglabile. Ele pot fi proiectate cu o varietate de componente care determină proprietățile unui MOF, iar există milioane de MOF-uri posibile, a spus Stylianou. Aproape 100.000 au fost sintetizate de cercetători în chimie, iar proprietățile altor jumătate de milion au fost prezise.
O legătură de sulf sensibilă la lumină
În acest studiu, cercetătorii au lucrat cu un MOF, BVR-19, care are o caracteristică structurală distinctivă: o legătură sulf-sulf care suferă o scindare tranzitorie la expunerea la lumină, rezultând specii reactive de sulf.
„Componenta organică face munca importantă”, a spus Stylianou. „În loc să se bazeze în principal pe atomii de metal, materialul nostru folosește blocuri de construcție organice care conțin sulf pentru a capta energia luminii și a muta electronii acolo unde sunt necesari pentru a produce hidrogen. Aceasta reprezintă o modalitate diferită de a gândi modul în care aceste materiale ar trebui proiectate.”
Nu este necesar un catalizator metalic suplimentar costisitor, a adăugat el, ceea ce ar putea simplifica proiectarea viitoarelor sisteme de producere a hidrogenului acționate de lumină. BVR-19 se formează, de asemenea, spontan în soluții apoase la temperatura camerei, oferindu-i un avantaj energetic puternic.
Costul hidrogenului mai curat
Producerea hidrogenului prin scindarea apei printr-un proces catalitic este mai curată decât metoda convențională de obținere a hidrogenului din gaze naturale printr-un proces care produce dioxid de carbon, cunoscut sub numele de reformare cu abur a metanului, a spus Stylianou.
Procesele catalitice actuale pentru producerea hidrogenului din apă implică electrocataliza — trecerea electricității prin catalizator. Sustenabilitatea electrocatalizei depinde de utilizarea energiei regenerabile, iar pentru a fi competitivă pe piață, acea energie trebuie să fie ieftină. În prezent, reformarea cu abur a metanului produce hidrogen la un cost de aproximativ 1,50 dolari pe kilogram, comparativ cu aproximativ 5 dolari pe kilogram pentru hidrogenul verde.
Reguli de proiectare pentru combustibili solari
„Munca noastră oferă o schiță pentru proiectarea unor materiale mai bune care pot reduce costul hidrogenului verde”, a spus Stylianou, care conduce Laboratorul de Descoperire a Materialelor al Universității de Stat din Oregon, cunoscut sub numele de MaD Lab. „Schimbând metalul păstrând restul materialului în esență la fel, am descoperit de ce unele versiuni ale MOF-ului funcționează mult mai bine decât altele. Aceste descoperiri oferă noi reguli de proiectare pentru crearea unor materiale mai eficiente pentru producția de combustibili solari.”
