Fotosynteza jest postrzegana jako jeden z najbardziej wydajnych i eleganckich procesów chemicznych w przyrodzie. Zielone rośliny wychwytują dwutlenek węgla z atmosfery i przy użyciu światła słonecznego oraz wody zamieniają go w związki organiczne. Teraz, naukowcy z Berkeley Lab i międzynarodowego konsorcjum badawczego poszli o krok dalej. Stworzyli sztuczny liść – miniaturowe, autonomiczne urządzenie, które potrafi robić to samo, co jego biologiczny pierwowzór, ale zamiast glukozy wytwarza cząsteczki węgiel-węgiel (C2), niezbędne w produkcji paliw i tworzyw sztucznych.
Czytaj też: Sztuczny liść z Chin podbija świat nauki. Jego możliwości zadziwiają ekspertów
Jak wyjaśnił prof. Peidong Yang, chemik i materiałoznawca z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, kluczowym było zrozumienie i odwzorowanie każdego składnika struktury roślinnej odpowiedzialnego za fotosyntezę. Zamiast chlorofilu badacze wykorzystali absorbery światła wykonane z perowskitu halogenkowo-ołowiowego – minerału znanego z zastosowań w nowoczesnych panelach słonecznych. W roli katalizatorów użyto misternie zaprojektowanych nanostruktur z miedzi, które pod mikroskopem przypominają drobne kwiaty – struktury inspirowane enzymami występującymi w naturze.
Sztuczny liść zamieni dwutlenek węgla w paliwo
Urządzenie nie jest większe niż znaczek pocztowy, ale jego konstrukcja skrywa złożony system chemiczny. W jednej komorze – fotoanodzie – dochodzi do reakcji utleniania organicznych związków, podczas gdy w drugiej – fotokatodzie – zachodzi redukcja CO2 do cząsteczek C2. Całość napędzana jest wyłącznie światłem, bez potrzeby stosowania zewnętrznego źródła energii elektrycznej.
Czytaj też: Liść lotosu kluczem do rewolucji technologicznej. Naukowcy osiągają niespotykane wyniki
Kluczowym materiałem w tej technologii jest miedź – nieco mniej selektywna niż katalizatory biologiczne, ale znacznie bardziej trwała i odporna na degradację. To właśnie ona, w połączeniu z fotoaktywnym perowskitem, umożliwia prowadzenie reakcji chemicznych na drodze podobnej do tej, jaką przeszło życie roślinne w procesie ewolucji.
Zespół badawczy przetestował działanie sztucznego liścia w warunkach laboratoryjnych z użyciem symulatora światła słonecznego. Wyniki opisane w Nature Catalysis były jednoznaczne: urządzenie skutecznie przekształcało CO2 w gazowe cząsteczki C2 – jeden z najbardziej obiecujących prekursorów do produkcji ekologicznych paliw oraz tworzyw.
Nowa technologia to efekt wieloletniej pracy w ramach programu Liquid Sunlight Alliance (LiSA), finansowanego przez amerykański Departament Energii. LiSA skupia ponad 100 naukowców z wiodących ośrodków badawczych, w tym Caltech, SLAC, NREL, UC Irvine, UC San Diego i University of Oregon. Ich wspólnym celem jest stworzenie urządzeń, które z pomocą słońca, CO2 i wody będą w stanie produkować paliwa na skalę przemysłową.
Zespół prof. Yanga wierzy, że technologia sztucznego liścia znajdzie zastosowanie wszędzie tam, gdzie nie da się łatwo wprowadzić elektryfikacji. Mowa zwłaszcza o transporcie ciężkim, morskim i lotniczym, które nadal opierają się na wysokoenergetycznych paliwach ciekłych. Cząsteczki C2 mogą stać się także substratem do produkcji biotworzyw, farb czy nawet leków. Tym samym, nowa technologia nie tylko zmniejsza emisje CO2, ale także tworzy obieg zamknięty w przemyśle chemicznym.
Jednak przed sztucznym liściem wciąż stoją poważne wyzwania. Urządzenie musi zostać zoptymalizowane pod względem wydajności, trwałości oraz kosztów produkcji. Trwają też prace nad jego skalowaniem – tak, by można je było wdrożyć w większych instalacjach przemysłowych, bez utraty efektywności. Wciąż otwartym pytaniem pozostaje też to, jak stabilnie perowskit i miedź będą zachowywać się w dłuższym czasie działania w warunkach rzeczywistych.
Choć idea sztucznej fotosyntezy nie jest nowa, to właśnie praca zespołu z Berkeley Lab przybliża ją do realnych zastosowań. Wcześniejsze technologie często wymagały zewnętrznego źródła prądu, drogiej aparatury lub zawodne komponenty biologiczne. Teraz, dzięki inżynierii materiałowej i interdyscyplinarnej współpracy, powstało urządzenie zbliżające nas do świata, w którym dwutlenek węgla z atmosfery może być nie problemem, lecz zasobem.
Jeśli technologia ta znajdzie szerokie zastosowanie, może nie tylko przyczynić się do ograniczenia zmian klimatycznych, ale także zmienić model funkcjonowania przemysłu chemicznego i energetycznego. Słońce, woda i powietrze – trzy składniki, które mogą stać się fundamentem energetyki przyszłości.