Článek
Tým vědců z University of Rochester se pouští do průkopnického projektu, který má napodobit přirozený proces fotosyntézy pomocí bakterií k výrobě vodíku.
Vodík je nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru. Vodíkové palivo má také vysokou hustotu energie, což znamená, že obsahuje velice hodně energie na jednotku hmotnosti. Může být použit v různých aplikacích, včetně palivových článků, a může být vyroben v malém i velkém měřítku, takže je využitelný pro vše od domácího použití po průmyslovou výrobu. Spalováním vodíku vzniká jediný vedlejší produkt, a tím je voda.
Přestože na Zemi je ve sloučeninách vodíku přebytek, prakticky žádný čistý vodík Země nemá. Převážně je vázán na prvky, jako je uhlík a kyslík, dřevo a ropné produkty. Pokud chceme získat čistý vodík, musíme ho z těchto sloučenin extrahovat. Metody získávání vodíku z fosilního zdroje uhlovodíku jsou v současné době nereálné.
V dnešní době lze získávat vodík modernějšími metodami než elektrolýzou vody, která spotřebovává velké množství elektrické energie a výroba je energeticky silně ztrátová. To by se vyplatilo pouze v případě, že bude existovat velice levný zdroj elektrické energie. Přebytky z fotovoltaiky již jsou a budou přibývat, takže jedna cesta by tu byla.
Modernější a užitečnější cesta by tu také byla. Proč nenapodobit rostliny nevyužít umělou fotosyntézu?
Fotosyntéza rostlin funguje po stamiliony let.
Rostliny pohlcují sluneční světlo, které využívají k přeměně oxidu uhličitého a vody na glukózu a kyslík. Glukóza je nejenergičtější cukr na světě a slouží rostlinám jako potrava. Kyslík rostliny vydechují jako nepotřebný produkt. Je nutné připomenout, že fotosyntéza rostlin, stejně jako solární panely, nefunguje v noci. Pokud je málo světla, rostliny dýchají kyslík, který přes den vyprodukovaly, fotosyntéza se zastaví.
Napodobit fotosyntézu uměle je podobné, jako vyrábět elektřinu pomocí solárních panelů. Také budeme potřebovat zdroj světla, katalyzátor pro výrobu paliva a zdroj elektronů. Celý systém je ponořen ve vodě a světelný zdroj dodává energii tak, že záření excituje (zvyšuje) energii atomů do vyššího energetického stavu. Energie za pomocí katalyzátoru spojí elektrony s protony ve vodě a uvolní se plynný vodík.
Jako absorbér se využívají polovodičové nanokrystaly. Lze použít kyselinu askorbovou (vitamín C) k dodání elektronů zpět do systému.
Vědci zjistili, že by jako předávače elektronů mohli použít bakterie. Zjistili, že Shewanella oneidensis, bakterie poprvé shromážděná z jezera Oneida v severní části státu New York nabízí efektivní, bezplatný a účinný způsob, jak poskytnout elektrony. Jedná se o první případ, kdy se použily bakterie jako zdroj elektronů pro nanokrystalický katalyzátor.
Anaerobní bakterie k životu nepotřebují kyslík. Naopak, při přísunu kyslíku hynou. Dýchají dusík ve formě dusičnanů, sloučenin síry, kovy, anorganické i organické sloučeniny. Přesně to dělá fakultativní bakterie Shewanella oneidensis, která ale může dýchat i kyslík. Tato bakterie může přijímat elektrony generované vlastním vnitřním metabolismem a předávat je externímu katalyzátoru.
Vědci si představují, že v budoucnu by jednotlivé domy mohly mít podzemní nádrže, které by využívaly sílu slunce k výrobě a skladování malých dávek vodíku jako energii pro domy a auta.
V současné době sice existují vlaky, autobusy a automobily poháněné vodíkovými palivovými články, ale téměř veškerý vodík pro pohon těchto strojů pochází z fosilních paliv. Vodík vyrobený fotosyntézou by byl přelomový vynález.
Materialsprovided by the University of Rochester. Original written by Lindsey Valich. Note: Content can be edited for style and length.
Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023; 120 (17) DOI: 10.1073/pnas.2206975120
