Vědci se o krok přiblížili účinné výrobě syntetických paliv z oxidu uhličitého

Vědci se přiblížili o další krok k vytvoření recyklačního systému, který bude využívat solární energii k účinné přeměně oxidu uhličitého a vody na syntetická paliva. Díky optimalizaci několika částí stávajícího recyklačního řetězce bylo dosaženo dvouelektronové chemické reakce. Dochází tak ke značné úspoře energie oproti jednoelektronové reakci.

Vedoucí výzkumu Prashant Jain, profesor chemie na Illinoiské univerzitě, uvedl, že výzkum svítá naději těm, kteří doufají v nalezení cesty, jak přeměnit oxid uhličitý ze vzduchu na užitečné zdroje energie.

„Vědci často zkoumají rostliny, aby získali poznatky o přeměně slunečního světla, oxidu uhličitého a vody na paliva,“ řekl Prashant Jain.

Při dopadu slunečního záření na listy rostlin dojde k nabuzení elektronů v chlorofylu. Tyto nabuzené elektrony stojí za chemickým procesem, který přeměňuje oxid uhličitý a vodu na glukózu.

„Mnoho z těchto chemických reakcí jsou multiprotonové, multielektronové reakce,“ uvedl Jain.

Místo spoléhání se na biologicky rozložitelné rostlinné pigmenty k přeměně světelné energie na chemickou přišli vědci s něčím lepším. Jejich proces zahrnuje kovové katalyzátory bohaté na elektrony, jako například zlato. Ty mohou při určitých intenzitách a vlnových délkách záření přeměnit nabuzené elektrony a protony k reakčním činidlům bez degradace těchto katalyzátorů.

„V naší studii jsme využívali zlaté částice o velikosti 13 a 14 nanometrů. Tyto nanočástice mají unikátní optické vlastnosti, v závislosti na jejich velikosti a tvaru.“

Při potažení nanočástic polymerem a suspendování nanočástic do vody, absorbují zelené světlo a emitují tmavě červenou barvu zpět. Při světelném nabuzení nanočástice přenášejí elektrony k molekulám sondy, které poté mění barvu. Tento proces dovoluje vědcům měřit účinnost reakce přeměny elektronů.

„Vědci již v minulosti zvládli za využití fotochemie a materiálů absorbujících světlo přeměnu jednoho elektronu,“ řekl Jain. „Ale v nové studii jsme našli principy, při kterých nanočástice kovových katalyzátorů dokáží přeměnit dva elektrony najednou.“

Změnou intenzity laserového paprsku využitého v experimentu vědci zjistili, že při intenzitě, která je 4 až 5krát větší než intenzita slunečního záření, přeměnili zlaté nanočástice dva elektrony etanolu na „elektronově hladovou sondu“.

„K vytvoření vazeb mezi atomy jsou zapotřebí dva elektrony. Pokud neposkytneme dva elektrony a dva protony, které neutralizují ztrátu elektronů, vytvoříme volné radikály. Ty jsou vysoce reaktivní a mohou vytvořit zpětnou reakci, která vyplýtvá energii potřebnou k jejich vytvoření. Reagují také s ostatními materiály, anebo ničí katalyzátory,“ řekl Jain.

Vědci doufají, že tuto technologii využijí  také k výrobě propanu a butanu

Jain dále uvedl, že nedávné experimenty provedené jeho laboratoří zahrnovaly multielektronové a multiprotonové přemísťování. V těchto experimentech byl přeměn oxid uhličitý na etan, což je energeticky bohatší směs než je metan. Profesor Jain a jeho kolegové doufají, že bude možné vyrábět za pomocí této technologie propan a butan.

„Z pohledu chemie je zajímavé porozumět pravidlům určujícím sloučení atomů uhlíku dohromady. Přenos více než jednoho elektronu najednou, aktivace více než jedné molekuly oxidu uhličitého najednou na povrchu nanočástice katalyzátoru nám může pomoci k získání vyšších uhlovodíků.“

I když nový objev představuje důležitý krok kupředu, technologie musí být dále rozvíjena, aby byla připravena k použití a rozšíření.

„Je před námi stále ještě dlouhá cesta. Myslím si, že potřebujeme minimálně ještě desetiletí k nalezení sekvestrace oxidu uhličitého, k jeho fixaci a přeměnu na paliva, která by byla ekonomicky životaschopná. Ale každé nahlédnutí do procesu této přeměny zrychluje krok, kterým se vědecká komunita může ubírat,“ řekl Prashant Jain.