Frunze artificiale produc hidrogen

Cercetătorii americani de la Institutul Politehnic din Massachusetts au descoperit un material cu ajutorul căruia apa devine o sursă nelimitată de hidrogen. Reacţia imită prima etapă

Cercetătorii americani de la Institutul Politehnic din Massachusetts au descoperit un material cu ajutorul căruia apa devine o sursă nelimitată de hidrogen.

Reacţia imită prima etapă a fotosintezei ce are loc în frunze şi poate avea loc chiar şi într-un pahar de sticlă.
Ca şi în cazul frunzei, e nevoie de apă, de lumină şi de câteva elemente minerale precum oxizii de indiu şi staniu sau fosfatul de potasiu. În plus, un curent electric slab, care poate fi furnizat de panourile solare, trebuie să străbată vasul de reacţie.

Noaptea, hidrogenul obţinut de "frunza" artificială în timpul zilei va fi transformat în electricitate cu ajutorul unei pile de combustie. Folosind o frunză artificială, un panou solar şi o pilă de combustie, orice locuinţă va putea produce energie electrică zi şi noapte. Hidrogenul obţinut suplimentar poate alimenta un automobil hibrid.

Doi oameni de ştiinţă din Statele Unite ale Americii au realizat un electrod ieftin care poate descompune apa în oxigen şi hidrogen folosind numai energia de la Soare

Cercetătorii de la Institutul Massachusetts au reprodus artificial fotosinteza. Ei au folosit un electrod din oxizi, acoperit cu fosfat de sodiu şi cobalt.

O tehnologie simplă şi relativ ieftină, prin care se poate separa hidrogenul de oxigen utilizând o cantitate redusă de energie electrică, va contribui la îmbunătăţirea performanţelor panourilor solare. Cu ajutorul energiei luminoase, un electrod din oxid de indiu şi staniu, acoperit cu pulbere de cobalt şi scufundat într-o soluţie puternic alcalină pe bază de fosfaţi, extrage oxigenul din apă, imitând procesul natural de fotosinteză care are loc în frunzele verzi.

Chimiştii Daniel Nocera şi Matthew Kanan, de la Institutul Politehnic din Massachusetts, spun că viitoarea generaţie de panouri solare va produce ziua electricitate şi, concomitent, va extrage hidrogen dintr-un rezervor cu apă. În timpul nopţii, hidrogenul va fi ars în mod controlat în interiorul unor pile (celule) de combustie, generând astfel electricitate chiar şi în cel mai deplin întuneric.

Fotosinteza, un miracol imitabil

Considerat multă vreme o minune a naturii, procesul care are loc în frunzele verzi, cunoscut sub numele de fotosinteză, presupune transformarea apei şi a dioxidului de carbon, sub influenţa luminii solare absorbite de clorofilă, în oxigen şi glucoză.

Acest fenomen complex are loc în două etape. Prima reacţie este separarea apei în hidrogen şi oxigen folosind energia solară, iar a doua este combinarea dioxidului de carbon din aer cu hidrogenul obţinut în prima etapă. În final se obţin carbohidraţii, adică substanţele organice necesare vieţii.

Procesul de fotosinteză a fost imitat pentru prima oară în anul 2000 de către cercetătorii australieni de la CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation). Ei au folosit însă electrozi din platină scufundaţi într-o soluţie alcalină care se "consumau", metoda presupunând costuri foarte ridicate.

"Obţinerea hidrogenului din apă, folosind puţină electricitate şi catalizatori care se refac, ne ajută să utilizăm energia solară în mod eficient", spune acum Daniel Nocera, profesor de chimie Massachusetts Institute of Technology.

Stocarea luminii

Prin extragerea oxigenului din apă s-a obţinut de fapt prima metodă de stocare a energiei Soarelui. Reacţia nu necesită instalaţii complicate, putând avea loc şi într-un banal pahar de sticlă.

Procedeul extinde utilizarea panourilor solare al căror principal dezavantaj era, până acum, tocmai faptul că nu generau curent electric decât în orele foarte luminoase ale zilei. În plus, hidrogenul obţinut poate fi utilizat drept combustibil şi pentru automobilele hibride, cu pile de combustie. Astfel, fiecare locuinţă cu panouri solare va putea deveni în viitor atât o minicentrală electrică, cât şi o pompă de combustibil pentru maşină.

Refacerea catalizatorului reduce costurile

De mai mulţi ani, cercetătorii caută un catalizator molecular capabil să reziste cât mai mult timp reacţiei de descompunere a apei în hidrogen şi în oxigen. Iniţial, specialiştii au încercat să găsescă un cristal, adică o substanţă în care fiecare atom are locul său bine determinat.

Profesorul Nocera a preferat însă un catalizator amorf, fără structură regulată, instabil, care se "consumă" în timpul reacţiei, dar care are capacitatea de a se reface prin simpla trecere a unui curent de mică intensitate prin soluţia alcalină.

Un electrod subţire, format dintr-un amestec de oxid de indiu şi oxid de staniu (mai precis 90% In2O3 şi 10% SnO2), este scufundat în apă. În vas se adaugă puţină pulbere de cobalt şi fosfat de potasiu. În momentul în care electrodul este conectat la sursa de curent electric, cobaltul, potasiul şi fosfatul, sub formă de ioni, se acumulează pe electrodul din oxizi şi formează un catalizator perfect pentru reacţia de extragere a oxigenului din apă.

La celălalt electrod, acoperit cu un strat subţire de platină, se acumulează ionii de hidrogen eliberaţi, care se unesc şi devin hidrogen stabil. Acesta fiind gazos poate fi colectat şi îmbuteliat.

În timpul reacţiei de descompunere a apei, cobaltul şi fosfatul de potasiu cad de pe electrodul în jurul căruia se formează oxigenul. Acesta iese din vas, dar în apa încă nedescompusă rămân atât cobaltul, cât şi fosfatul. Curentul electric le aduce înapoi pe electrod, reparând permanent acest catalizator instabil.

Hidrogenul devine accesibil

Folosirea hidrogenului drept combustibil întâmpină două obstacole: costul mare al extragerii sale din apă şi riscul de explozie în timpul arderii.

Găsirea unor catalizatori ieftini pentru descompunerea apei va face rentabil procesul de producţie a hidrogenului.

Pila (sau celula) de combustie este un generator de curent electric care separă electroni din molecula de hidrogen, ionii de hidrogen rămaşi urmând să reacţioneze unul după altul cu oxigen, formând apă fără riscul unei explozii.

Daniel Nocera explică on-line invenţia sa, într-o casetă multimedia, pe care o iniţializaţi făcând click pe camera de culoare roşie (www.technologyreview.com/Energy/21155/page1).

Şi algele produc hidrogen

Toate plantele verzi, inclusiv algele, produc cantităţi mici de hidrogen în timpul procesului de fotosinteză.
Profesorul Anastasios Melis, de la Universitatea din California, a reuşit să creeze alge modificate genetic ce produc destul hidrogen cât să poată fi îmbuteliat.

Dacă sunt crescute în recipiente transparente expuse luminii solare din deşert, algele mutante produc de zeci de ori mai mult hidrogen decât suratele lor "normale".

Recipientul de cultură trebuie să aibă diametrul mic (ca sticlele de damigeană), astfel încât lumina să pătrundă prin pereţii transparenţi din toate direcţiile, până în mijlocul vasului.

Vasele cu alge sunt conectate prin furtune la o pompă care colectează şi îmbuteliază hidrogenul.

60 de minute sunt necesare pentru ca Soarele să trimită spre Pământ toată energia de care omenirea are nevoie într-un an.