Koliko smo blizu solarnom vodiku?

Membrana obasjana svjetlošću razlaže vodu na vodik i kisik. Stara ideja, novo rješenje – koje se zove ugljikov nitrid dopiran borom.

Nenad Raos subota, 3. rujna 2022. u 06:00

Dobiti vodik iz obnovljivih izvora, Sunčevom energijom je lako: stave se na krov (ili negdje drugdje) solarni paneli, pa se strujom koja iz njih teče elektrolizira voda. Jednostavna kemija (i fizika) – ali ne i tehnologija. Uređaj kojim se elektrolizira voda da bi se proizveo vodik za industrijske potrebe nije isto što i Hofmannov aparat ili U-cijev kojom se u školi pokazuje da se voda H2O, kemijski spoj kisika i vodika.

Pri elektrolizi se može izgubiti mnogo energije zbog omskog otpora elekrolita, ali i zbog elektičnog otpora izazvanog mjehurićima plinova koji se izlučuju na elektrodama. Zbog tih mjehurića elektrolizatori obično rade pod visokim tlakom kako bi im se smanjio volumen. Da bi se pak smanjio električni otpor elektrolita, natrijeve ili kalijeve lužine, često se zagrijava, na 60 do 80 oC.

Tome još treba dodati da uređaju za elektrolizu treba osigurati struju stalnog napona i jakosti, a za to trebaju pretvarači. Da bi elektroliza tekla bez zastoja, treba imati stalni izvor električne struje, bilo akumulatorsku bateriju, bilo priključak na mrežu. Uređaje usto treba, razumije se, redovito kontrolirati, održavati i popravljati. No evo rješenja: membrana koja, obasjana Sunčevom svjetlošću, razdvaja vodu na H2 i O2. S jedne strane membrane nakuplja se vodik, a s druge kisik.

To je vrlo stara zamisao iza koje stoji vrlo jednostavna kemija. U solarnim pločama zraka svjetlosti (foton) izaziva stvaranje parova elektron-šupljina na spoju poluvodiča tipa p i n, nakon čega elektron migrira prema n-strani, a šupljina prema p-strani. Uslijed toga dolazi do razlike potencijala koja se, budući da su poluvodiči spojeni žicom, pretvara u električnu struju – koju dobivamo iz fotonaponskih ploča.

U membranama za fotokatalitičko razlaganje vode radi se u osnovi o istom procesu. No sada poluvodič ne uzima elektrone iz žice, nego iz iz molekula vode, pri čemu nastaje kisik (2H2O → O2 + 4H+ + 4e-). Vodikove ione i elektrone preuzima drugi poluvodič te ih pretvara u plinoviti vodik (2H+ + 2e- → H2). Lako je zamisliti, ali kako napraviti?

Osnovni problem je u tome da nije dovoljno postići prelazak elektrona iz jednog na drugi poluvodič, nego se prelazak mora ostvariti pri razlici potencijala dovoljnoj da od se vode oduzmu elektroni i da se, u drugom poluvodiču, oni predaju vodikovim ionima. I evo rješenja – rezultata znanstvenog rada „Boron-doped nitrogen-deficient carbon nitride-based Z-scheme heterostructures for photocatalytic overall water splitting“, što je objavljen u časopisu Nature Energy.

Što se krije iza kompliciranog naslova? Prvo se priredi ugljikov nitrid grafitne strukture (graphitic carbon nitride, GCN). On se, kako mu ime kaže, sastoji kao i grafit od heksagonske mreže u kojoj su, za razliku od grafita, neki atomi ugljika zamijenjeni atomima dušika. Potom se molekule slažu da bi se dobio nanometar debeli sloj, „GCN nanosheet“ (CNN).

No sada dolazi ono najvažnije, dopiranje borom („boron-doped“). Ono se provodi svakom kemičaru, posebice onom koji se bavi organskom sintezom, poznatim reagensom, natrijevim borhidridom, NaBH4. Kako će i koliko ugljikov nitrid biti dopiran ovisi o temperaturi reakcije (325, 350, 375, 400, 450 ili 500 oC). Tako nastaje niz borom dopiranih molekula GCN, koje se razlikuju – važno je napomenuti – prema razlici potencijala između valentne (VB) i vodljive vrpce (CB) te razlikom redoks potencijala H+/H2 i O2/H2O. Najboljim se pokazala kombinacija BDCNN350/BDCNN425, od kojih prvi član, sintetiziran pri 350 oC, reducira vodikove ione, a drugi član, sintetiziran pri 425 oC, oksidira vodu. Kolika je efikasnost takvog, fotokatalitičkog razlaganje vode na sastavne elemente?

Sve ovisi o svjetlosti kojom se membrana obasja. Pri valnoj duljini 400 nm kvantno iskorištenje zračenja (AQY) je 11,54 %, a pri 420 nm 10,44 %. I sve bi bilo lijepo, da je Sunce nekakav monokromat, nebesko tijelo koje nas obasjava samo ljubičastom svjetlošću (λ = 390 – 450 nm). No, pri većim valnim duljinama iskorištenje zračenja naglo opada, pri 500 nm (zeleno) iznosi samo 1,51 % da bi pri obasjavanju crvenom svjetlošću (λ = 620 – 760 nm), postala praktički nula. Stoga je ukupna efikasnost pretvaranja Sunčeve energije u kemijsku samo 1,16 %, što je jako daleko od željenog cilja od 10 %.

Trebat će dakle još mnogo poraditi, autori kažu ponajviše na kisikovom fotokatalizatoru. No sjetimo se je prva ćelija od amorfnog silicija, proizvedena 1974. godine, imala efikasnost pretvaranja energije od samo 5,5 % te da je u to vrijeme instalacija jednog vata vršne snage stajala 100 dolara.

Nenad Raos je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor stotinjak znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te, naravno, Bug online. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda, a danas je glavni urednik mrežnih stranica Panopticum. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.

📢 Uštedi do 12%

iPad

Idealni za kreativce i svakodnevnu uporabu!

769,99€ 5.801,49 kn 875,84€ Kupi

📢 3 godine jamstva

VERBATIM SSD

128GB, Vi550 S3, SATA 3, 2.5", 560/430 MB/s

22,99€ 173,22 kn Kupi


Najjednostavniji streaming ikad

ARCAM Solo Uno

Solo Uno donosi potpunu jednostavnost u složeni svijet audio streaminga pružajući kompaktan, elegantan i elegantan streamer s ugrađenim pojačalom

549,00 € 4.136,44 kn 728,52 € Akcija