Rozpuszczając wśród znajomych wici na temat tego, czym będzie się w najbliższym czasie zajmował, dr Bartłomiej Szyja nawet nie przypuszczał, że wywoła wśród nich taką konsternację. W odpowiedzi, całkiem serio, słyszał bowiem to pytanie: zamiast naukowego laboratorium praca w… kwiaciarni? Wspomnieniu tamtych reakcji towarzyszy dziś uśmiech, choć wtedy na jego twarzy malowało się raczej zdziwienie. Chcąc nie chcąc, tłumaczył więc, że o żadnym przebranżowieniu nie ma mowy. Co prawda, potoczna nazwa przedmiotu jego prac badawczych rzeczywiście mogła niektórych wprowadzić w błąd, ale – precyzował – z wywołującym takie skojarzenia swoim naturalnym odpowiednikiem niewiele będzie on miał wspólnego. Przynajmniej wizualnie, bo ani kolorem, ani kształtem, ani też strukturą nie będzie go przypominał. Za to pod względem funkcjonalnym podobieństwo między nimi ma być uderzające.

– Sztuczny liść, czyli projekt, nad którym pracujemy, to nic innego jak urządzenie, które za pomocą energii słonecznej będzie w stanie przetwarzać dwutlenek węgla do innych użytecznych związków chemicznych, najlepiej paliw, które można później ponownie wykorzystać, zamykając w ten sposób cykl dwutlenku węgla w przyrodzie – opisuje naukowiec z Politechniki Wrocławskiej, dla którego inspiracją stał się pobyt w Holandii. Pojechał do Eindhoven, na tamtejszy Uniwersytet Techniczny, by zrealizować dwuletni staż podoktorski. Został tam prawie… całą dekadę. Czasu jednak nie marnował. Z ciekawości przyglądał się rozbudowanemu systemowi tam i zapór wodnych, którego zadaniem jest zabezpieczenie kraju przed skutkami atlantyckich sztormów. Takimi jak choćby ten z połowy lat 50. ubiegłego wieku, który dał impuls do powstania tych hydrotechnicznych obiektów. Zginęło wówczas blisko 2 tysiące osób, zniszczeniu uległo 47 tys. domów, a osuszanie zalanego terenu trwało dziesięć miesięcy. Jeszcze zanim globalne ocieplenie na dobre zagościło na czołówkach gazet, w Holandii obserwowano z niepokojem systematyczne podnoszenie się poziomu wód, nieodłącznie związane z działalnością człowieka. Był to czytelny sygnał, że walka z efektem cieplarnianym stanie się kołem zamachowym współczesnej nauki.

Patent z natury

Powodzie, ale też huragany, cyklony, susze, topnienie lodowców, pustynnienie i zatapianie nisko położonych lądów czy wymieranie raf koralowych to ledwie część niekorzystnych zjawisk, do których w znacznej mierze przyczyniają się gazy cieplarniane, w tym m.in. dwutlenek węgla. Choć jest on niezbędny do życia, za jego nadmierne stężenie, koncentrację w atmosferze odpowiadają… ludzie. Rozwój cywilizacyjny rodzi bowiem zwiększone zapotrzebowanie na energię, zaś technologie wykorzystujące do jej wytworzenia paliwa kopalne produkują niewyobrażalną ilość miliardów ton dwutlenku węgla rocznie. Proces jego utylizacji, z racji stabilności cząsteczki, wymaga sporego wkładu energetycznego. Rośliny radzą sobie z tym, wykorzystując fotosyntezę z udziałem energii słonecznej. Znajdujące się w ich komórkach chloroplasty, zawierające chlorofil, mają podstrukturę w postaci membran lipidowych, w których zlokalizowane są kompleksy białkowe, będące de facto gospodarzami barwników fotosyntetycznych. To właśnie one odpowiedzialne są za pochłanianie promieniowania słonecznego oraz za reakcje fotochemiczne związane z wybiciem elektronów. Gdy światło słoneczne pada na liść, jest pochłaniane przez chloroplasty, uruchamiając w nich kaskadę procesów: cząsteczka wody rozszczepiana jest na tlen i jony wodorowe, które z kolei – przy udziale dwutlenku węgla – wykorzystywane są do wytworzenia cukrów. Cała energia zawarta w paliwach, takich jak węgiel, ropa czy gaz ziemny, pochodzi właśnie z procesu fotosyntezy. Nic zatem dziwnego, że naukowcy z zazdrością spoglądają w kierunku rozwiązań opatentowanych przez naturę miliardy lat wstecz. Sztuczny liść, jako tanie źródło odnawialnej energii, ma ten fotosyntetyczny proces ulepszyć o tyle, że cukry – z punktu widzenia potrzeb człowieka – stanowią w nim najmniej potrzebne ogniwo. Chodzi więc o to, by z dwutlenku węgla dało się wytworzyć bardziej pożądane produkty, np. komponenty paliw. Tym samym zamykając obieg CO2, ograniczono by jego szkodliwy nadmiar w atmosferze.

– Spalając paliwo w autach czy piecach, emitujemy w ten sposób dwutlenek węgla, który trafia do atmosfery. W naszym projekcie chcemy zawrócić ten proces, otrzymując z CO2 dalsze produkty. Jeśli zaczniemy utylizować dwutlenek węgla, jego emisja siłą rzeczy nie będzie już rosła, dzięki czemu natura jeszcze będzie nam za to wdzięczna – przekonuje dr Szyja.

Wersja z grafenem

Idąc tym tropem, już wielu naukowców przed nim uczyniło ze sztucznej fotosyntezy swoją idée fixe. Najlepszym jak dotąd osiągnięciem może pochwalić się prof. Daniel Nocera z Uniwersytetu w Harvardzie, którego wynalazek już powstał, a jedyną jego wadą pozostaje niezadowalająca wydajność energetyczna. Zasługi na tym polu mają też Polacy: w ramach europejskiego projektu EuroSolarFuels w prace nad sztucznym liściem włączył się już wcześniej zespół prof. Joanny Kargul z Uniwersytetu Warszawskiego. W Politechnice Wrocławskiej z kolei postanowili wykorzystać do tego celu materiał stosunkowo dobrze rozpoznany, ale pod tym kątem jeszcze niewykorzystywany. W tej korespondencyjnej rywalizacji każdy musi sięgać po pomysły, dające jakąś przewagę nad pozostałymi. Innowacyjność badań dolnośląskich inżynierów opiera się na grafenie, który nie dość, że jest tani i łatwy do pozyskania, to jeszcze posiada pożądane właściwości.

– Grafen jest stosunkowo nowym materiałem, obecnie bardzo popularnym w badaniach, który wykazuje świetne przewodnictwo elektronów, co w połączeniu z odpowiednim funkcjonalizowaniem związkami o specyficznych właściwościach pozwoli nam osiągnąć oczekiwany efekt w redukcji dwutlenku węgla – przewiduje dr Szyja.

Nie bez powodu postawiono na ten właśnie materiał. Nade wszystko jest bardzo dobrym przewodnikiem prądu, a w dodatku właściwość tę można stosunkowo łatwo poprawić przez odpowiednie modyfikacje, np. usunięcie z niego atomów węgla i zastąpienie ich azotem. W tym przypadku to o tyle istotne, że podobnie do liści występujących w przyrodzie w sztucznej fotosyntezie procesy utleniania i redukcji należy rozdzielić, nie utrudniając jednak przepływu prądu. Ponadto cienka warstwa grafenu umieszczona na przewodniku będzie oddzielała go od roztworu, utrzymując odpowiednią efektywność procesu, bowiem reakcje uboczne zachodzące w przewodniku mogłyby istotnie zaburzyć prawidłowe funkcjonowanie układu. Grafen będzie więc przed tym zabezpieczał, pozwalając jednak na przepływ ładunku elektrycznego.

Przy wszystkich swoich zaletach, grafen nie jest jednak aktywny w reakcji uwodornienia CO2. Tę przeszkodę można jednak pokonać, nanosząc odpowiednią fazę aktywną. Zaprojektowanie jej to w zasadzie klucz całej koncepcji. Badanych jest kilka rozwiązań. Naukowcy zastanawiają się nad układami porfirynowymi, nie wykluczają również kompleksów kleszczowych, działających selektywnie w kierunku kwasu mrówkowego. Pytań, które przed nimi stoją, jest zresztą więcej: jak dobrze nanieść materiał na przewodnik, którym elektrony dotrą do półogniwa? Jak maksymalizować powierzchnię? W jaki sposób poprawić efektywność prądu generowanego przez światło? Sam grafen, choć to istotny element układanki, nie będzie jądrem całego układu, może za to posłużyć do jego optymalizacji.

Fotosynteza? Nie do końca

Celem projektu, realizowanego w Zakładzie Chemii i Technologii Paliw PWr, jest zaprojektowanie nieorganicznego katalizatora, który byłby aktywny w procesie redukcji CO2. Urządzenie będzie się składać z dwóch części. Z jednej strony – ogniwo słoneczne, czyli fotoanoda, której zadaniem będzie absorpcja światła słonecznego i pod jego wpływem pozyskanie z cząsteczek wody protonów i elektronów oraz tlenu, jako produktu ubocznego. Z drugiej – katoda, aktywująca i redukująca dwutlenek węgla do postaci innych związków chemicznych. Obydwie części muszą jednak pozostać w kontakcie. Odpowiednia membrana pozwoli przetransportować protony powstające na fotoanodzie, podczas gdy elektrony popłyną przewodnikiem i zamkną obwód. Mój rozmówca przypomina, że CO2 – z uwagi na dwa atomy tlenu – jest najbardziej utlenioną formą węgla. Dołączenie doń atomów wodoru wytworzy wysokoenergetyczne wiązania i pozwoli na zmagazynowanie energii.

– Nie jest naszym celem zbudowanie układu najlepszego pod względem wydajności, ale zidentyfikowanie wpływu wybranych czynników na tę reakcję. Sama wydajność ma dla nas drugorzędne znaczenie. Największa niewiadoma to w tej chwili skład fazy aktywnej, od tego będzie zależało powodzenie całego przedsięwzięcia – prognozuje dr Szyja, zaznaczając, że cała koncepcja, choć oparta na mechanizmach fotosyntezy, nie będzie jej wierną kopią przeniesioną z warunków naturalnych do laboratorium.

Tutaj dwutlenek węgla nie będzie bezwartościowym odpadem, lecz substratem do dalszego wykorzystania. Wachlarz tego, co można zeń otrzymać, jest imponujący: leki, tworzywa sztuczne, a nade wszystko – w obliczu kurczących się zasobów ropy naftowej – paliwa. Naukowcy z Wrocławia myślą w tym kontekście o tak wysokoenergetycznych produktach, jak m.in. metan, metanol czy kwas mrówkowy, który świetnie się nadaje do przechowywania wodoru. Ale to na razie pieśń przyszłości. Na razie sen z powiek spędza im co innego.

– W tej chwili chcemy dowiedzieć się jak najwięcej o samym procesie przetwarzania dwutlenku węgla. Interesuje nas określenie mechanizmu reakcji, bo to stanowić będzie realną wartość poznawczą projektu. Pierwsze obliczenia kwantochemiczne, które wykonaliśmy, dały całkiem obiecujące wyniki. Przy czym trzeba pamiętać, że robi się je na mniejszej skali, operując pojedynczymi atomami, podczas gdy w eksperymencie nawet ułamki gramów, to są już miliony atomów. Tajemnicą do rozwikłania jest połączenie skali mikro– i makroświata – tłumaczy dolnośląski inżynier.

Wart ponad pół miliona złotych projekt, finansowy przez Narodowe Centrum Nauki, ma charakter badań podstawowych, ale zakończony będzie eksperymentem weryfikującym dokonane wcześniej symulacje komputerowe. Prototypy katalizatora mają powstać w ciągu trzech lat. Dr Szyja już zapowiada pokazanie sztucznego liścia znajomym, by pozbyli się wątpliwości, jakoby zamierzał on rezygnować z laboratorium na rzecz kwiaciarni.