Műlevéllel állítottak elő zöld hidrogént

Olyan mesterséges levelet alkottak kínai kutatók, mely a fény segítségével bontja a vizet, és hidrogént termel, mindenféle szennyezés nélkül. Mi lesz a jövő tiszta energiaforrása? A kérdésre a természet a válasz - állítják a kutatók, akik gyakorlatilag lekoppintották egy szellőrózsa levelének szerkezetét.

A növények levelei több millió éves evolúciós folyamat révén kiemelkedő hatékonysággal képesek a fényenergiát felhasználni. A fotoszintézis legfontosabb lépése az, amikor a levélben a vízmolekulák felbomlanak, s így a növény hidrogénionokat termel. A növények által használt megoldás lemásolásával miniatűr hidrogéngyárakat lehet készíteni - magyarázza Tongxiang Fan, a sanghaji Jiao Tong Egyetem kompozit anyagok állami laboratóriumának munkatársa a New Scientist tudományos folyóiratnak nyilatkozva.

Az elképzelés nem új, de mindeddig a kutatók azokra a molekulákra koncentráltak, amelyek közvetlenül a vízbontási folyamatban vesznek részt, és ezeket próbálták mesterséges körülmények között lemásolni vagy működésüket befolyásolni. Ezzel szemben Fan és munkatársai a zöld levelek bonyolult szerkezetének lemásolásával akarják a mesterséges fotoszintézist beindítani.

Titánt építettek a levelekbe

A kínai kutató és munkatársai mintaként több növényfaj leveleit használták fel, többek között a szellőrózsáét (Anemone vitifolia). Először a leveleket híg sósavval kezelték, így a fotoszintézisben fontos szerepet játszó magnéziumatomokat titánra cserélték.

Ezután kiszárították a leveleket, majd 500 fokra hevítve elégették a maradék növényi anyagot. Így kristályos titán-dioxidból kirajzolódva megmaradt a levél szerkezetének váza. Ezt az anyagot rendszerint a napcellákban használják a hatékonyság növelésére, míg a levélben a titán-dioxid a vízmolekulák bontását katalizálja. A titán-dioxid fehér színű, vízben oldhatatlan, atomrácsos jellegű szilárd vegyület; savakkal, lúgokkal szemben ellenálló.

Mikroszkópfelvétel egy levél szerkezetéről

Az égetés után megmaradt a levélben található molekulák lencseszerű felülete, amelyek képesek bármilyen irányból érkező fénysugarakat befogni, és az az erezet is, amely a levél belsejébe vezeti be a fényt.

A fenti módszerrel előállított másolatok a levelek finomszerkezetét is megőrizték, beleértve a kloroplasztiszokat, melyekben a fotoszintézis folyik. A kloroplasztiszok lencse vagy gömb alakúak, belső terüket kettős membránok (tilakoidok) töltik ki. E membránok a fotoszintézis fényreakciójának helyei, s a sanghaji kutatóknak ezeket is sikerült megőrizniük. A mindössze 10 nanométer vastagságú kettős membránok megnövelik a fotoszintézishez rendelkezésre álló felületet.

Az így elkülönített szerkezet miatt a mesterséges levelet nagy hatékonysággal lehet hidrogén előállítására használni, állítja Tongxiang Fan. A kutatócsoport a műlevelet 20 százalék metanolt tartalmazó oldatba áztatta, majd az ultraibolya sugárzáshoz közel álló hullámhosszon látható fénnyel sugározta be. A kereskedelemben P25 néven forgalmazott titánium-dioxidhoz képest a mesterséges levél kétszer több fényt hasznosított, és háromszor több hidrogént termelt (Fan kutatásának részletes adatai itt elérhetők).

A kutatást "jó startnak" minősíti Chinnakonda Gopinath, az indiai Nemzeti Kémiai Laboratóriumának kutatója, aki szerint a jövőben valóban érdemes a levelek szerkezetének lemásolásával fejleszteni a napenergia hasznosítását. A hidrogén szennyezésmentes előállítása azért fontos kérdés, mert a hidrogéntechnológia a leginkább megvalósítható megoldás a közúti közlekedéshez szükséges (a nehéz teheratókat leszámítva) energia fedezésére, méghozzá környezetbarát és fenntartható módon.