Vodík je nejhojnějším prvkem ve vesmíru a na Zemi je úplně všude, kam se člověk podívá. Přesto ale není tak úplně k dispozici, když ho chceme. Bývá totiž obvykle svázán v molekulách s ostatními prvky, typicky v molekulách vody. A vydolovat vodík z vody, to dá dost práce. Při komerční výrobě vodíku se používá zemní plyn, který reaguje s přehřátou vodní párou a otrhává z ní atomy vodíku. Zároveň s vodíkem ale při tomto postupu vzniká i oxid uhličitý, který je poslední dobou poněkud nežádoucí. Mnohé mozky planety se proto snaží najít jiný způsob výroby vodíku, který by byl zároveň ekonomicky smysluplný.
Chemička Elena Rozhkova z Centra nanoškálových materiálů. Národní laboratoře Argonne amerického ministerstva energetiky a její kolegové vytvořili pozoruhodný generátor vodíku. Prozatím je úplně maličký, ale dokáže získat vodík z vody bez fosilních paliv. Potřebuje k tomu jenom trochu světla. Podle Rozhkovové se vědci při hledání nových zdrojů energie soustředí spíše na anorganické materiály. Rozhkovová a její kolegové ale hledají inspiraci v živém světě a snaží se vytvářet důmyslné hybridní materiály.
Při vývoji nanobiogenerátoru vodíku si vypůjčili legendární membránový protein bakteriorhodopsin, díky němuž si slanomilná archaea ze skupiny Halobacteria pohánějí bičíky slunečním zářením a udivují tím generace studentů biologie. Už z dřívějška věděli, že je možné štěpit vodu na vodík a kyslík, když smíchají bakteriorhodopsin s oxidem titaničitým a platinou a pak na výslednou směs posvítí ultrafialovým zářením. Problém je totiž v tom, že oxid titaničitý reaguje potřebným způsobem jedině při ozáření ultrafialovým zářením. A to není tak úplně snadno dostupné.
Rozhkovová a spol. chtěli produkovat vodík působením viditelného světla a tak museli hledat nové materiály, které by jim to umožnily. Potřebovali takový materiál, jehož povrch by dovoloval rychlý a rovnoměrný průchod elektronů. Zároveň to měl být materiál, který na kterém by mohly fungovat biologické molekuly jako bakteriorhodopsin a byly přitom propojené s katalyzujícím oxidem titaničitým. Stručně řečeno, hledali něco jako grafen.
Grafen je extrémně odolný, zároveň velice lehký, také hodně průhledný, elegantně dvojrozměrný, tedy ultratenký a hlavně je úžasný elektrický vodič. Rozhkovová si pochvaluje, že grafen je také luxusně biologicky inertní a tak ho mohli využít jako platformu pro svůj hybridní nanobiogenerátor. Jejich důmyslná technologie funguje tak, že jak bakteriorhodopsin, tak i grafen absorbují viditelné světlo a elektrony z těchto reakcí putují k navázanému oxidu titaničitému, který se díky tomu stává vnímavým k viditelnému světlu.
Současně s tím světlo ze zeleného konce spektra viditelného záření aktivuje bakteriorhodopsin, který začne pumpovat protony. Tyto protony se pak dostanou k nanočásticím platiny, které jsou napojené na molekuly oxidu titaničitého. Při reakci vytěžených protonů a elektronů vznikají atomy vodíku. A jak Rozhkovová a spol. vědí, že jejich nanozařízení funguje? Badatelé si ověřili pohyby elektronů v nanobiogenerátoru elektronovou paramagnetickou rezonancí (EPR) a časově rozlišenou spektroskopií. Elektrochemickými studiemi zase zkontrolovali přesun protonů. Mimo jiné také poprvé experimentálně doložili, že grafen dokáže propasírovat elektrony do jiných materiálů. Pokud vědci tuhle technologii rozvinou, tak by se nanobiogenerátor Rozhkovové, který v sobě poutavým způsobem spojuje nanotechnologii s biotechnologií, mohl časem stát zajímavým zdrojem energie.
Video: A Look Inside Argonne"s Center for Nanoscale Materials. Kredit: Argonne National Laboratory.
Literatura
Argonne National Laboratory News 19. 9. 2014, ACS Nano 8: 7995–8002 ,Wikipedia (Hydrogen economy, Bacteriorhodopsin).
Diskuze:
