Naukowcy projektują inspirowane biologią hydrożele imitujące rośliny fotosynteza do produkcji czystej energii wodorowej.
Nowy hydrożel opracowany przez japońskich naukowców wykorzystuje światło słoneczne do wydajnej produkcji wodoru z wody, naśladując naturalną fotosyntezę. Ta innowacja obiecuje zwiększyć produkcję czystej energii poprzez poprawę wydajności i redukcję kosztów, potencjalnie zastępując obecne technologie bardziej zrównoważonym rozwiązaniem.
Sztuczna fotosynteza Technologia energii odnawialnej
Naukowcy od dawna dążyli do odtworzenia sposobu, w jaki rośliny przekształcają światło słoneczne w energię, mając nadzieję na stworzenie zrównoważonych rozwiązań energetycznych. Sztuczna fotosynteza, proces wykorzystujący światło słoneczne do wywoływania reakcji wytwarzających czystą energię, ma na celu naśladowanie tej naturalnej metody. Jednak osiągnięcie syntetycznego systemu, który działa tak płynnie jak fotosynteza, było poważnym wyzwaniem – aż do teraz.
Naukowcy z Japońskiego Zaawansowanego Instytutu Nauki i Technologii (JAIST) oraz Uniwersytetu Tokijskiego opracowali nowy, inspirowany biologią hydrożel, który jest w stanie wytwarzać wodór i tlen za pomocą światła słonecznego do rozszczepiania cząsteczek wody. Ta innowacja jest niezwykle obiecująca w krajobrazie czystej energii, w którym wodór jest postrzegany jako wysoce opłacalne paliwo na przyszłość. W przeciwieństwie do fotowoltaiki słonecznej i produkcji wodoru w oparciu o elektrolizę, które wymagają zewnętrznego nakładu energii, ten system hydrożelowy bezpośrednio wykorzystuje światło słoneczne do rozdzielania wody, odwzorowując naturę i potencjalnie zwiększając zarówno wydajność, jak i opłacalność. Badanie zostało niedawno opublikowane w Internecie w Komunikacja chemiczna.
Projektowanie i mechanika hydrożeli inspirowanych biologią
Zespół badawczy, kierowany przez profesora nadzwyczajnego Kosuke Okeyoshiego, jego doktorantkę Reinę Hagiwarę z JAIST i profesora Ryo Yoshidę z Uniwersytetu Tokijskiego, zaprojektował te hydrożele ze starannie ustrukturyzowaną siecią polimerową. Sieci te pomagają kontrolować transfer elektronów, co ma kluczowe znaczenie w procesie rozkładu wody na wodór i tlen. Hydrożele są wypełnione funkcjonalnymi cząsteczkami, takimi jak kompleksy rutenu i nanocząsteczki platyny, które współpracują ze sobą, symulując naturalny proces fotosyntezy.
„Największym wyzwaniem było ustalenie, jak ułożyć te cząsteczki, aby mogły płynnie przenosić elektrony” – mówi prof. Okeyoshi. „Wykorzystując sieć polimerową, byliśmy w stanie zapobiec ich zlepianiu się, co jest częstym problemem w syntetycznych układach fotosyntezy”.
Co więcej, pierwsza autorka Reina Hagiwara, doktorantka. student JAIST, mówi: „To, co jest tutaj wyjątkowe, to sposób zorganizowania cząsteczek w hydrożelu. Tworząc zorganizowane środowisko, sprawiliśmy, że proces konwersji energii jest znacznie wydajniejszy.
Zwiększanie wydajności produkcji wodoru
Jednym z kluczowych przełomów w tym badaniu jest zdolność hydrożeli do zapobiegania agregacji cząsteczek funkcjonalnych, co było głównym problemem w poprzednich sztucznych systemach fotosyntezy. W rezultacie zespołowi udało się znacząco zwiększyć aktywność procesu rozszczepiania wody i wytworzyć więcej wodoru w porównaniu ze starszymi technikami.
Projekt ten ma poważne implikacje dla czystej energii. Wodór wytwarzany wyłącznie przy użyciu wody i światła słonecznego może stać się kluczowym czynnikiem w przyszłych systemach energetycznych, oferując odnawialną alternatywę dla paliw kopalnych. Jak wyjaśnia prof. Okeyoshi: „Wodór jest fantastycznym źródłem energii, ponieważ jest czysty i odnawialny. Nasze hydrożele umożliwiają produkcję wodoru przy użyciu światła słonecznego, co może pomóc w zrównoważonej zmianie technologii energetycznych”.
Dzięki aktywizacji sztucznej fotosyntezy badanie to przybliża nas do przyszłości, w której odnawialny wodór mógłby zasilać przemysł, transport i systemy magazynowania energii.
Perspektywy i wyzwania na przyszłość
Pomimo tych obiecujących wyników naukowcy zauważają, że nadal pozostaje wiele do zrobienia. Kolejnymi ważnymi krokami będzie zwiększenie skali produkcji hydrożeli i zapewnienie ich długoterminowej stabilności. „Pokazaliśmy potencjał, ale teraz musimy udoskonalić technologię do zastosowań przemysłowych”, mówi prof. Okeyoshi. „Możliwości są ekscytujące i nie możemy się doczekać dalszego rozwoju”.
Zespół planuje także zbadać precyzyjną integrację z hydrożelami, aby jeszcze bardziej zwiększyć ich efektywność konwersji energii. Życzymy im szczęścia i powodzenia w tym przedsięwzięciu!
Odniesienie: „Bioinspirowane hydrożele: projekty polimerowe w kierunku sztucznej fotosyntezy”, autorzy: Reina Hagiwara, Ryo Yoshida i Kosuke Okeyoshi, 1 listopada 2024 r., Komunikacja chemiczna.
DOI: 10.1039/D4CC04033C
