Paliwa odnawialne ze światła słonecznego i CO2

Naśladowanie naturalnego procesu fotosyntezy jest obiecującym sposobem na zaspokojenie rosnącego światowego zapotrzebowania na energię, przy jednoczesnym łagodzeniu skutków zmiany klimatu. Co istotne, sztuczna fotosynteza może stać się sposobem na wychwytywanie energii Słońca i przechowywanie jej do późniejszego użytku.

Sztuczna fotosynteza, która wymaga konstrukcji systemów imitujących procesy występujące w przyrodzie, obejmuje katalizatory do utleniania wody i redukcji H+/CO2 oraz fotosensybilizator, który napędza cały proces. W projekcie PHOTOCO2 (Photocatalytic reduction of carbon dioxide into fuels) naukowcy opracowali wydajną fotokatodę składającą się z fotosensybilizatora, nośnika półprzewodnika i katalizatora redukcji H+/CO2. Celem było zbadanie kinetyki międzyfazowego transferu elektronów w systemach hybrydowych składających się z katalizatorów molekularnych do redukcji protonów lub CO2, unieruchomionych na półprzewodnikach nanostrukturalnych.

Redukcję fotokatalityczną H2 z użyciem katalizatorów molekularnych można osiągnąć dzięki katalizatorom otrzymującym elektrony z pobudzonego fotosensybilizatora przy właściwej energii. Aby zademonstrować redukcję H2, naukowcy zwiększyli czułość nanocząsteczek półprzewodnika z dwutlenku tytanu (TiO2) i katalizatora molekularnego barwnikiem rutenowym. System ten skutecznie wytwarza H2 w wodzie i w obecności donora elektronów o wydajności kwantowej do 10%. Badacze dowiedli także, że utleniające lub redukcyjne hartowanie barwnika umożliwia transfer elektronów z fotosensybilizatora do katalizatora molekularnego.

Realizując badania w zakresie redukcji protonów, zespół dokonał sprzężenia katalizatora zawierającego grupy cyklamowe z grupami kwasu karboksylowego i umieścił go na półprzewodniku, aby zademonstrować redukcję CO2. W tym przypadku nastąpiło przyspieszenie transferu elektronów.

Po zamocowaniu katalizator Re(bpy)(CO)3L na powierzchni półprzewodnika TiO2, naukowcy zaobserwowali 10-krotny wzrost sprawności katalitycznej redukcji CO2. Inne badania obejmowały porównania między mocowaniem katalizatorów molekularnych na nanocząsteczkach TiO2 i nanocząsteczkach metalu.

Naukowcy przeprowadzili pionierskie badania, identyfikując czynniki decydujące o sprawności systemów hybrydowych katalizator-półprzewodnik. Biorąc pod uwagę fakt, że redukcja CO2 skutkuje uzyskaniem wysokowartościowych związków chemicznych, takich jak metanol, które można przekształcać w paliwo, wyniki projektu są bardzo obiecujące w kontekście sztucznego wytwarzania paliwa z energii słonecznej w przyszłości.