A legnagyobb energiájú kék fényt használják fel © sxc.hu

„Jelenleg még csak tervezési fázisban vagyunk, ezért egyelőre nem dolgozunk túlzott hatékonysággal” – magyarázta Thomas E. Mallouk anyagfizikával és -kémiával foglalkozó professzor. „De nem állunk messze a 10-15 százalékos hatékonyságot lehetővé tévő katalizátorrendszer megalkotásától. Ha sikert érünk el, a víz fotolízisével tiszta forrásból juthatnánk hidrogénhez.”

Bár a legújabb fejlesztésű napelemek már 10 százaléknál nagyobb hatékonysággal alakítják a látható fényt elektromos energiává, a Penn State kutatói által kifejlesztett napcelláknál egyelőre az a probléma, hogy a felhasznált félvezetők nem tudnak kellő mennyiségű fényt felvenni.

Az átalakított napfény arányának növelése érdekében a fotoszintézist imitáló festékanyagokkal kísérleteztek, ezekkel azonban az volt a probléma, hogy eredményként vagy hidrogént, vagy oxigént termeltek, ráadásul felhasználták a vegyületeket a folyamat során. További probléma, hogy ez a rendszer igen költségigényes, voltaképpen többe kerül így kettéválasztani a vízmolekulákat, mint elektromosság segítségével; viszont az itt alkalmazott katalizátorok, bár könnyen szétválasztják a hidrogén- és oxigénatomokat, engedik, hogy hasonlóan könnyen újra vízzé alakuljanak.

A Penn State tudósai az Arizona State University kutatóival összefogva olyan katalizátorrendszert fejlesztettek ki, amely a megfelelő festékanyagokkal kombinálva képes utánozni azokat az elektronátviteli folyamatokat, amelyek a növényekben zajlanak le a fotoszintézis során. Eredményeikről az American Association for the Advancement of Science (Társaság az Amerikai Tudomány Előmeneteléért) február 17-i éves találkozóján számoltak be Bostonban.

A folyamat kulcsa egy aprócska molekulaszerkezet, amelynek közepén a katalizátor szerepét betöltő iridium-oxid-molekulák foglalnak helyet, körülöttük narancs-vörös festékmolekulákkal. Ezek a molekulák nagyjából 2 nanométer átmérőjűek. A kutatók azért szavaztak a narancs-vörös színre, mert ezek az anyagok azokat a napfényben található, kék tartományú fényhullámokat nyelik el, amelyeknek a legmagasabb az energiaszintjük. Amikor a látható fény rávetül a festékanyagra, az így átadott energia gerjeszti a benne található elektronokat, amelyek a katalizátor segítségével széthasítják a vízmolekulákat, ezáltal szabad oxigént termelve.

„Minden felszíni iridiumatom másodpercenként körülbelül ötvenszer képes ezt a reakciót előidézni” – magyarázta Mallouk. „Ez körülbelül három nagyságrenddel gyorsabb, mint a leghatékonyabb mesterséges katalizátor, s a növényekben található, a fotoszintézist beindító, a vizet oxidáló fehérjekomplex hatásához hasonlítható.”

A kutatók a katalizátorral egy titán-dioxid elektródát impregnáltak, amelyet anódként használtak, s platinát alkalmaztak katódként. A két elektródát egymástól elkülönítve – hogy megakadályozzák a hidrogén és az oxigén újbóli egyesülését – sóoldatba merítették. Egyelőre még külső áramforrásra is szükségük volt a kutatóknak a reakció előidézéshez, ám azt remélik, átalakított molekulaszerkezettel – hogy a katalizátoranyagból minél többet érhessen egyszerre napfény – jobb eredményeket érnek majd el a közeljövőben.