Az Ohio State University kutatói felfedeztek egy új molekulát, amely segítségével a napfény teljes látható spektruma felhasználható hidrogén gyártásra közvetlenül vízből. A molekula nemcsak a napfény energiáját nyeli el, de a hidrogén előállítást is katalizálja (felgyorsítja). A kutatás eredményei nagy hatással lehetnek a nem elektrolízis alapú hidrogén gyártás széleskörű elterjedésére, ezzel is felgyorsítva a fosszilis energiahordozók felhasználásának csökkenését.

A Nature Chemistry oldalán publikált cikk szerint olyan szabad levegőn is stabil két fématomot tartalmazó molekulát találtak, amely képes a foton elnyelésre az infravöröstől az ultraibolya tartományig bezárólag, és amely az elnyelt foton energiáját aztán hidrogén termelésre tudja felhasználni. A mérési eredmények szerint a fénynek kitett savas oldatban molekulánként 170 ± 5 reakciót észleltek 24 óra alatt, a kezdeti 28 reakció/óra sebességnek is köszönhetően. A molekula az elnyelt fény hatására egy kétlépcsős redox (redukciós és oxidációs) reakcióban képzi a hidrogént, ezzel egyedülálló az eddig ismert hasonló homogén fotokatalitikus anyagok között.

A kutatócsoportot Claudia Turro vezeti, az Ohio State University vegyész professzora és a Center for Chemical and Biophysical Dynamics igazgatója is egyben. A csoport munkáját a U.S. Department of Energy Office of Science alapja finanszírozta.

"A kutatás alapötlete az, hogy a napfényt közvetlenül használjuk fel hidrogén előállítására. Leegyszerűsítve, a napfényben levő energiát elnyelve és egy molekulában tárolva, képesek vagyunk ezzel egy későbbi időpontban kémiai kötéseket megbontani és egyesíteni, és ezzel hidrogént gyártani a vízből."

A kutatás először talált olyan fém atomokat is tartalmazó molekulát, amely képes a napfény fotonjai közül nemcsak néhány speciális hullámhosszúakat, hanem az egész látható fény spektrumát betöltő hullámhosszú foton mindegyikét felhasználni — beleérve a hosszú hullámhosszú infravörös tartományt is, amelyet korábban nehéz volt ilyen célokra alkalmazni —, és ezek segítségével hidrogént gyártani. Az így előállított hidrogén kikerüli az elektromos áram termelés és tárolás körüli kihívásokat, és az abból fakadó hatékonysági határokat.

Az újonnan felfedezett molekula ezért különleges, mert a fény elnyelése után képes nemcsak egy, hanem két elektront is tárolni ebben a gerjesztett állapotban, amelyek szükségesek a hidrogén molekula kialakulásához. Az a lehetőség, hogy két foton elnyelése után két olyan elektron található egy molekulában viszonylag hosszú ideig, amely a hidrogén előállításához szükséges, ezidáig nem állt a rendelkezésünkre.

Ahhoz, hogy a napenergiát közvetlenül fel tudjuk használni, azt először el kell egy megfelelő anyagban nyelni. Ezt az elnyelt energiát lehet aztán, megfelelő katalizátor segítségével — amely anyag bizonyos reakciókat sokszorosára felgyorsít másokkal szemben — a kívánt reakcióhoz felhasználni.

Az előző kutatások mind a nagy energiát hordozó rövid hullámhosszú fényre koncentrált, pl. az ultraibolya tartományban található fotonok felhasználására. Emellett, korábbi kutatók több molekulából próbáltak meg olyan rendszereket létrehozni, ahol a gerjesztett elektronokat (a napenergiát hordozó elektronokat) ezek egymás között átadták. Az ilyen átadási lépések során azonban elkerülhetetlen az energiaveszteség, vagyis az ilyen rendszerek hatékonysága rendszerint alacsony volt. Más csoportok bár egy molekulát használtak fel, ezek vagy nem tudták a teljes látható fény spektrumát elnyelni, vagyis sokkal kevesebb energia állt a rendelkezésükre a reakcióhoz, vagy kevésbé voltak stabilak, pl. érzékenyek voltak a levegőben levő oxigénre.

A Turro által vezetett csoport viszont egy olyan molekulát talált, amelyben két ródium atom segítségével a fenti problémák nagy része kiküszöbölhető. Ez az új molekula nemcsak az ultraibolya tartományban nyel el, hanem az infravörösben is: az előző próbálkozásokhoz képest akár 25-szor nagyobb hatékonysággal tudja azt hidrogén előállításra felhasználni.

Az ipari alkalmazás előtt azonban még sok munka vár a kutatókra. A ródium ritka és drága fém, a belőle előállított molekulák is azok. A kutatócsoport most a jelenlegi rendszer élettartamának növelésén dolgozik, és más, olcsóbb alternatívák után is nagy erőkkel kutatnak.