W dobie narastającego kryzysu klimatycznego poszukiwanie sposobów na redukcję emisji CO2 staje się priorytetem. Jednym z najbardziej obiecujących pomysłów jest sztuczna fotosynteza – proces, w którym energia słoneczna napędza reakcje chemiczne przekształcające wodę i dwutlenek węgla w użyteczne produkty, takie jak paliwa ciekłe.
Czytaj też: Ten wynalazek wielkości znaczka pocztowego zamieni dwutlenek węgla w cenne paliwo
To nie tylko koncepcja teoretyczna. W 2020 roku powstał projekt Liquid Sunlight Alliance (LiSA), wieloletnia inicjatywa wspierana przez Departament Energii USA, zrzeszająca ponad stu naukowców z takich instytucji jak Caltech, Berkeley Lab, SLAC National Accelerator Laboratory i National Renewable Energy Laboratory. Celem konsorcjum jest zbudowanie naukowych fundamentów pod przyszłe technologie paliw słonecznych.
Nowy sposób wytwarzania paliw słonecznych na horyzoncie
Już w latach 80. XX wieku badacze odkryli, że miedź może katalizować reakcję elektrochemicznej redukcji CO2 – przekształcając gaz cieplarniany w związki takie jak etanol czy etylen. Miedź okazała się wyjątkowa: jako jedyny powszechnie dostępny metal potrafiła rozbijać cząsteczki CO2 na bardziej złożone produkty w warunkach pokojowych.
Czytaj też: Sztuczny liść z Chin podbija świat nauki. Jego możliwości zadziwiają ekspertów
Problem polegał na tym, że jej skuteczność szybko spadała. Choć początkowo była wydajna, z czasem jej powierzchnia aktywna traciła właściwości katalityczne. Przez dekady nie było jasne, dlaczego tak się dzieje. To właśnie ten mechanizm – nieuchwytny i frustrujący – skutecznie blokował rozwój przemysłowych technologii opartych na CO2RR.
Przełom przyniosła współpraca naukowców z Berkeley Lab i SLAC. Zespół wykorzystał technikę small-angle X-ray scattering (SAXS), wcześniej stosowaną głównie do badania miękkich materiałów, takich jak polimery. Dzięki niej udało się zajrzeć w strukturę nanocząstek katalizatora w trakcie rzeczywistej pracy.
W eksperymentach wykorzystano specjalnie zaprojektowaną komórkę elektrochemiczną, przez którą przepływał roztwór elektrolitu. Badacze śledzili, jak zmieniają się rozmiary i kształty nanocząstek tlenku miedzi o średnicy 7 nm, poddanych działaniu różnych napięć.
Zespół zaobserwował dwa dominujące procesy prowadzące do degradacji katalizatora. W pierwszych 12 minutach działania najważniejszą rolę odgrywa migracja i koalescencja cząstek – mniejsze fragmenty miedzi przemieszczają się i łączą w większe skupiska. Z czasem zaczyna dominować zjawisko znane jako dojrzewanie Ostwalda, czyli rozpuszczanie mniejszych cząstek i osadzanie ich materiału na większych.
Oba procesy zmniejszają całkowitą powierzchnię aktywną katalizatora, co bezpośrednio przekłada się na spadek jego wydajności. Co więcej, tempo, w jakim dominują poszczególne mechanizmy, zależy od napięcia – niższe sprzyjają migracji, wyższe nasilają proces dojrzewania.
Wyniki badań potwierdziły również, że degradacja zaczyna się dopiero wtedy, gdy tlenek miedzi przekształci się w czysty metal. Przed tą transformacją materiał pozostaje stabilny. Kluczowym odkryciem było to, że procesy prowadzące do degradacji mają charakter sekwencyjny i zależny od warunków pracy.
To daje realną szansę na ich kontrolowanie. Jak mówi Walter Drisdell, współautor badania i naukowiec z Berkeley Lab, nowe dane pozwolą projektować systemy katalityczne o zwiększonej trwałości – dopasowane do konkretnych warunków operacyjnych. W zależności od napięcia i środowiska reakcji można będzie zastosować inne strategie ochrony.
Naukowcy wskazują kilka możliwych rozwiązań. Jednym z nich jest stosowanie ulepszonych nośników materiałowych, które ograniczają ruchliwość cząsteczek miedzi. Innym – projektowanie fizycznych powłok lub stopów, które spowalniają rozpuszczanie się mniejszych cząstek i przeciwdziałają dojrzewaniu Ostwalda. Zespół zamierza także testować powłoki organiczne projektowane we współpracy z Caltech, które nie tylko mają chronić katalizator, ale także ukierunkowywać reakcję w stronę produkcji konkretnych paliw – takich jak propanol, aceton czy bardziej złożone węglowodory.