Vědci se již dlouho snaží využívat k výrobě energie pouze Slunce a vodu, podobně jako to dělají rostliny při fotosyntéze. Proces založený na využití použití slunečního světla ke štěpení molekul vody je zatím ovšem pro praktické zatím neuzrál. Nové poznatky by to mohly změnit.
Jak využít všechno fotony
Předchozí pokusy o využití sluneční energie ke štěpení molekul vody se potýkaly s mnoha problémy. Proces vyžaduje energetické fotony k přerušení vazeb mezi atomy vodíku a kyslíku ve vodě.
Tento úkol může zvládnout záření kratších vlnových délek, protože jeho částice mají vyšší energii. V tomto konkrétním případě k tomu stačí fotony ultrafialového či viditelného světla. Ovšem 50 procent dopadajících na Zemi tvoří fotony v infračerveném spektru, které pro tento úkol mají příliš málo energie.
Vývojáři se snaží omezení obejít dvěma způsoby. První a nejúčinnější spočívá v použití takzvaného fotoelektrochemický článek. Jedná se o něco podobného jako baterie se dvěma elektrodami ponořenými do tekutého elektrolytu.
Jedna elektroda funguje jako miniaturní solární článek, který absorbuje sluneční světlo a využívá jeho energii k výrobě elektrického náboje. Tyto náboje jsou pak přiváděny ke katalyzátorům na elektrodách, které štěpí molekuly vody a vytvářejí plynný vodík na jedné elektrodě a plynný kyslík na druhé.
Nejlepší PEC dokáží přeměnit téměř čtvrtinu energie slunečního světla na vodíkové palivo. Vyžadují však použití korozivních elektrolytů, které rychle rozleptávají polovodič pohlcující světlo.
Druhá strategie spočívá ve využívaní zařízení, kterému se říká „monolitický fotokatalytický článek“. V tomto případě se celé zařízení (alespoň v principu) ještě zjednoduší a dochází k ponoření světlo pohlcujícího polovodiče rovnou do vody.
Polovodič absorbuje sluneční světlo a vytváří elektrický proud. Ten se přivádí ke katalytickým kovům na povrchu materiálu a na nich pak dochází ke štěpení molekuly vody. Protože však vzniklý vodík a kyslík vznikají prakticky na stejném místě, velmi ochotně spolu zase reagují a znovu vytváří vodu.
To limituje účinnost těchto fotokatalytických zařízení natolik, že přeměňují pouze asi 3 % dopadající sluneční energie na využitelné vodíkové palivo. Jedním řešením by mohlo být jednoduše zvětšit polovodiče, podobně jako je tomu u běžných solárních panelů. Polovodiče schopné štěpit vodu jsou však mnohem dražší než standardní křemíkové solární panely, takže tato možnost je příliš nákladná.
Soustředění
Tento problém se pokusila vyřešit vědecká skupina pod vedením Zetiana Mi, chemika z Michiganské univerzity v Ann Arbor, s použitím postupu, který už byl použit i v oboru fotovoltaiky. Nad své zařízení umístili velikou čočku (pro představu zhruba o velikosti běžného domovního okna).
Sluneční světlo soustředila na malou plochu, takže autoři zařízení vystačili s mnohem menším, a tedy i levnějším polovodičem. Intenzivní sluneční světlo pak v polovodiči generovalo elektrický náboj, který putoval na malé kovové katalytické nanočástice, na kterých pak probíhalo štěpení vody.
Miův tým také zvýšil teplotu štěpené vody na 70 °C, což snížilo pravděpodobnost zpětné reakce vzniklého vodíku a kyslíku zpět na vodu. Nejnovější iterace jejich zařízení tak využívá ke štěpení vody nejen viditelné a ultrafialové fotony, ale také infračervené fotony s menšími energiemi.
Kombinované změny umožnily vědcům přeměnit 9,2 % sluneční energie na vodíkové palivo, což je zhruba třikrát více než u předchozích fotokatalytických zařízení, uvádějí v časopise Nature.
„To je velký úspěch,“ okomentoval pro časopis Science výsledky Peidong Yang, chemik z Kalifornské univerzity v Berkeley. Jeho tým se před 20 lety podílel na průkopnictví fotokatalytického štěpení vody, ale na současné práci se nepodílel. Todd Deutsch, odborník na štěpení vody z americké NERL (Národní laboratoře pro obnovitelné energie), pak dodal, že účinnost není daleko od 10 procent, což je zhruba hranice, na které by podobná zařízení mohla prakticky komerčně využitelná.
Zatím vývoj tak daleko nedospěl, domnívá se Deutsch. Například proto, že při reakci vzniká potenciálně výbušná směs vodíku a kyslíku. Komerční verze zařízení by musela plyny nějak separovat – a to s sebou ponese zvýšení nákladů.
Pokud by se taková zařízení nakonec dostala na trh, vedlo by nejspíše postupně ke vzniku rozsáhlých solárních „farem“ na výrobu tzv. „zeleného“ vodíku. V nich by se mohlo vyrábět vodíkové palivo pro pohon osobních i nákladních aut a jiných dopravních prostředků, ale například pro průmyslové pece a komerčních palivové články, které by mohly sloužit jako vodíkové baterie a dodávat elektřinu do sítě v dobách, kdy obnovitelné zdroje nebudou vyrábět. Něco takového je samozřejmě zatím ovšem sci-fi.
Nicméně vzhledem k tomu, že fotokatalytické články štěpící vodu jsou jednodušší na konstrukci než konkurenční přístup, měla by být jejich masová výroba mnohem levnější, připomněl pro Science Mi. Dodal také, že nové uspořádání funguje uspokojivě (byť s menší účinností) také při použít mořské vody, která je levným a nevyčerpatelným zdrojem energie. Levná přeměna mořské vody na bezuhlíkové palivo by byla skutečným vyvrcholením konceptu ekologické energie.
