Tehničko rješenje je to bolje što omogućuje manje stupnjeva pretvorbe energije, jasno je. Jasno je jer se spomenuta tvrdnja osniva na jednostavnoj matematici, na geometrijskoj progresiji. Imamo li dvije uzastopne pretvorbe energije, obje s visokim iskorištenjem od 80 %, ukupni gubitci energije neće biti 20 nego 36 posto: ukupno iskorištenje energije neće biti 0,8 nego 0,8 ⸱ 0,8 = 0,64, tj. 64 %. To je osnovni razlog zašto su fotonaponske ploče najbolji, barem načelno, način za dobivanje električne energije. One izravno pretvaraju energiju Sunca u energiju gibanja elektrona. No, tu energiju treba negdje pohraniti, a najbolje ju je pohraniti u vodik, jer se s vodikom ne može mjeriti nijedan ugljikovodik (vodik: 120  MJ/kg, metan: 46 MJ/kg), a kamoli električna baterija. Energija se vodika može izravno pretvarati u električnu energiju u gorivnim ćelijama. Ali kako pohraniti električnu energiju dobivenu od Sunca u vodik?

Jednostavno pitanje, jednostavan odgovor: elektrolizom vode, razlaganjem vode električnom strujom iz fotonaponske ploče. Tu je međutim problem, jer smo suočeni s gubitkom energije u uređaju za elektrolizu zbog njegova unutrašnjeg (omskog) otpora. Usto je čitav sustav tehnički zahtjevan. Ne elektrolizira se, naime, voda nego lužina (jer ona ima vrlo mali električni otpor), a sve to pri visokom tlaku, čak 200 bara – jer pri višem tlaku na elektrodi nastaju manji mjehurići plina (kisika ili vodika), a što su manji mjehurići manji je i električni otpor ćelije. Sve se to može izbjeći fotokatalizatorom, pločom koja razlaže vodu na kisik i vodik kada se s jedne strane obasja suncem. Riječ je o procesu POWS – photocatalytic ovearall water splitting, potpuno fotokatalitičko razlaganje vode.

Pretvaranje energije zračenja u kemijsku energiju vodika ne razlikuje se bitno od njezina pretvaranja u električnu energiju. U oba slučaja postoji poluvodič u kojem djelovanjem zračenja elektroni putuju s jedne na drugu elektrodu. Razlika je jedino u tome što u fotonaponskim pločama elektrone prihvaća električni vodič (pa se stvara električna struja) dok u postupku POWS elektroni putuju od molekula vode s jedne do molekula vode s druge strane fotokatalizatora. Na osvjetljenoj strani nastaje vodik, a na onoj koja leži u tami izlučuje se kisik.

Jednostavan mehanizam, ali ne i tehničko rješenje. Najveći problem, najveća razlika između dva načina iskorištavanja Sunčeve energije, proizlazi iz činjenice da se fotokatalizator nalazi u vodi, a ne u zraku. Voda ga razjeda, pa ne traje dugo. Drugi je pak problem što se malo energije zračenja iskorištava. Gdje je rješenje?

Evo ga. Kineski su znanstvenici napravili novu, troslojnu ploču za izravno razlaganje vode energijom zračenja. Naslov njihova rada, objavljenog u časopisu Molecules, sve govori: „Enhanced stability and charge separation of InP by assemblng Al₂O and metallic Al for photocatalytical overal water splitting“. Prvo su na aluminijsku foliju nanijeli otopinu indijeva hidroksida, a potom su ga izloži natrijevom hipofosfitu (Na₂H₂PO₂, NHP), da bi nastao sloj indijeva fosfida (InP) na aluminijskoj foliji. Na foliju sa slojem indijeva fosfida nanijeli su zatim otopinu aluminijeva klorida koja zagrijavanjem prelazi prvo u aluminijev hidroksid, a potom u aluminijev oksid. Tako nastaje konačni, troslojni produkt Al₂O₃/InP/Al.

Jasno je: indijev fosfid je fotokatalizator, on djelovanjem zračenja prenosi elektrone. No koja je funkcija aluminija i njegova oksida?

 Aluminijev oksid služi s jedne strane lakšem prijenosu elektrona od fotokatalizatora do molekula vode na osvjetljenoj stani, a s druge štiti fotokatalizator od korozije, jer fosfor iz indijeva fosfida lako oksidira. Aluminij pak reflektira zračenje koje prolazi kroz prethodna dva sloja, sloj Al₂O₃ i sloj InP, pa se time povećava djelotvornost uređaja. Zahvaljujući refleksiji i antikorozivnoj zaštiti, gram Al₂O₃/InP/Al može za sat vremena proizvesti 146 μmol ili 292 μg vodika. To je 20 puta bolje od čistog fotokatalizatora (InP), hvale se kineski znanstvenici, a još se više hvale rezultatom da nije uočeno smanjenje performansi Al₂O₃/InP/Al nakon 10 sati kontinuirana rada ni nakon 10 ciklusa osvjetljivanja. No što je s onim najvažnijim, s iskorištenjem? 

Ma koliko iskorištenje bilo „20 puta veće“ od iskorištenja čistog InP, ono još uvijek iznosi samo 0,97 % – daleko je, jako je daleko do cilja od 10 %, kada bi takvi uređaji mogli ući u komercijalnu upotrebu.

Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951., je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, od 2017. u mirovini. Autor je oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske i bioanogranske kemije te povijesti i filozofije znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te za mrežne stranice Panopticum i, naravno, Bug online. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, među kojima je i „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“.