Luonto on miljoonien vuosien ajan pitänyt salassa yhden salaisuuden: fotosynteesin. Vuosikymmenten ajan tiede on pyrkinyt jäljittelemään tätä prosessia luodakseen ympäristöystävällisiä ja kestäviä polttoaineita, mutta ”keinotekoinen fotosynteesi” on aina ollut tehotonta ja teknisesti monimutkaista. Tähän asti.

Lyhyesti. Kiinalainen tutkijaryhmä on kehittänyt menetelmän, joka jäljittelee luonnollista prosessia, jossa hiilidioksidi (CO2) ja vesi muuttuvat bensiinin rakennuspalikoiksi. Kyse ei ole enää abstraktista teoriasta, vaan järjestelmä, joka pystyy tuottamaan ”aurinkopolttoainetta” ilman kalliita kemiallisia lisäaineita, mikä vie meitä lähemmäksi tavoiteltua uusiutuvan energian tavoitetta.

Läpimurto, jonka tulokset julkaistiin äskettäin Nature Communications -lehdessä, tuli mahdolliseksi Kiinan tiedeakatemian ja Hongkongin tiede- ja teknologiayliopiston tutkijaryhmän yhteistyönä. Tutkijat ovat kehittäneet uuden komposiittimateriaalin: volframitrioksidin, jota on modifioitu hopea-atomeilla (Ag/WO3).

Loppu kemiallisille ”temppuille”. Tämän ”taikapulverin” vallankumouksellisuus ei piile vain sen koostumuksessa, vaan myös siinä, mitä se estää. Tähän asti useimmat keinotekoisen fotosynteesin yritykset ovat olleet huijausta: niissä on käytetty ”uhraavia aineita” – orgaanisia kemiallisia lisäaineita (esimerkiksi trietanoliamiinia), jotka helpottavat reaktiota, mutta kuluvat prosessissa peruuttamattomasti, mikä tekee siitä epäekologisen ja kalliin suuressa mittakaavassa.

Tämä uusi järjestelmä ylittää tämän esteen. Kuten tieteellisessä tutkimuksessa on yksityiskohtaisesti kuvattu, katalyytti mahdollistaa valon vaikutuksesta tapahtuvan muuntumisen käyttäen elektronien luovuttajana vain puhdasta vettä (H2O). Ei lisäaineita, ei temppuja. Tämän reaktion tuloksena syntyy tehokkaasti hiilimonoksidia (CO). Vaikka tämä kuulostaa sinänsä haitalliselta aineelta, kemianteollisuudessa tämä molekyyli on todellista kultaa: se on keskeinen välituote, joka sekoitettuna vetyyn muodostaa ”synteesikaasun”, jota tarvitaan monimutkaisten hiilivetyjen, kuten metanolin tai synteettisen bensiinin, tuotantoon.

Polttoainetta ilmasta. Olemme ”aurinkopolttoaineen” kynnyksellä. Tämän löydön merkitys on sen potentiaalissa hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä aloilla, joita on vaikea kattaa sähköautoilla, kuten kaupallisessa ilmailussa tai raskaassa meriliikenteessä.

Lisäksi tutkijat korostavat artikkelissaan, että he ovat löytäneet ”universaalin strategian”. Heidän materiaalinsa (Ag/WO3) ei ole erillinen keksintö, vaan universaali ”laturi”, joka voidaan yhdistää erilaisiin katalyyttityyppeihin (kuten kobolttiftalosiini, C3N4 tai Cu2O) ja parantaa niiden ominaisuuksia merkittävästi.

Itse asiassa yhdistämällä tämän materiaalin kobolttiin (CoPc) he saavuttivat 100 kertaa suuremman tehokkuuden kuin yksinään toimiva katalyytti, mikä vastaa vanhempien, saastuttavia lisäaineita käyttävien järjestelmien suorituskykyä. Kyseessä on puhdas kiertotalous: kasvihuonekaasun (CO2) talteenotto ja sen muuntaminen arvokkaaksi resurssiksi.

Salaisuus piilee lehtien jäljittelyssä. Jotta ymmärtäisimme, miten he onnistuivat siinä, on tarkasteltava puun lehteä. Luonnollisessa fotosynteesissä veden hajoamisprosessi ja CO2:n sitominen ovat erillisiä prosesseja. Kasvit käyttävät plastokinoonia (PQ) molekyyliä kuljettamaan ja väliaikaisesti ”varastoimaan” auringon virittämät elektronit ennen niiden käyttöä, toimien energiapuskurina. Ilman tätä välivarastointia elektronit menetettäisiin ennen kuin niitä voitaisiin käyttää.

Kiinalaiset tutkijat kysyivät: ”Voimmeko luoda keinotekoisen plastokinoonin?” Vastaus oli volframi. Heidän kehittämänsä materiaali toimii bioinspiroituina varastona.

Akku: Auringonvalon vaikutuksesta volframi muuttaa kemiallista rakennetta (valenssi vaihtelee W6+:sta W5+:een) ja vangitsee väliaikaisesti elektroneja kuin mikrobatteri.
Silta: Kun järjestelmä tarvitsee energiaa CO2:n muuntamiseen, hopea-atomit (Ag) toimivat siltana vapauttaen varastoidut elektronit oikealla hetkellä rekombinaatiota varten katalysaattorin ”aukkojen” kanssa.

Tämä ratkaisee keinotekoisen fotosynteesin suurimman ongelman: ajan ja energian hallinnan. Kun vesi hapettuu, järjestelmä ”varastoi” aurinkoenergiaa, jotta se olisi valmis CO2:n syöttämiseen.

Laboratoriosta todelliseen maailmaan. Tämän tutkimuksen merkittävintä on se, että se ei jäänyt pelkäksi teoreettiseksi mallinnukseksi ihanteellisissa valaistusolosuhteissa. Tiimi loi kokeellisen laitteen, joka oli varustettu Fresnel-linssillä (valon keskittämiseksi), ja vei sen ulos testattavaksi luonnollisessa auringonvalossa.

Ulkona tehdyssä kokeessa saadut tiedot ovat hyvin merkittävät:

Auringon rytmi: Järjestelmä alkoi tuottaa havaittavaa kaasua klo 9.00 aamulla ja saavutti tuotannon huippunsa klo 13.00–14.00, seuraten tarkasti auringon säteilyn intensiteettiä.
Kestävyys: Järjestelmä osoitti kadehdittavaa luotettavuutta säilyttäen tehokkuutensa 72 tunnin testausjaksojen ajan ilman merkittävää suorituskyvyn heikkenemistä.

Silta tulevaisuuteen . South China Morning Post -lehden mukaan tämä läpimurto ylittää kriittisen kuilun uusiutuvan energian ja kysyttyjen teollisten sovellusten välillä.

Tutkimuksen tekijät ovat tulleet siihen tulokseen, että heidän työnsä ei ainoastaan poista tarvetta ympäristöä kuormittaville uhrausaineille, vaan tarjoaa myös yleispätevän suunnitteluperiaatteen itsenäisten fotokatalyyttisten järjestelmien luomiseksi. Vaikka aurinkoenergialla toimivien huoltoasemien syntyminen on vielä kaukana, perustieteellinen mekanismi aurinkoenergian varastoimiseksi kemiallisessa jauheessa ei ole enää pelkkä teoria.