Νανοτεχνολογία

Η πορεία προς την οικονομία του υδρογόνου γίνεται εμφανώς φωτεινότερη ―στην κυριολεξία. Οι νανοσωλήνες που διασπούν μόρια νερού με σκοπό την απελευθέρωση υδρογόνου μπορούν τώρα πια να λειτουργούν αποδοτικότερα, ενώ σύντομα θα μπορούν να χρησιμοποιούνται και στην ορατή περιοχή του φάσματος της ηλιακής ακτινοβολίας.

Όσον αφορά τη διάσπαση του νερού μέσω ηλιακού φωτός, οι μηχανικοί έχουν στη διάθεσή τους τρεις διαφορετικές τεχνολογίες. Η πρώτη βασίζεται στις ηλιακές κυψέλες, οι οποίες κατέχουν και το ρεκόρ όσον αφορά την αποδοτικότερη διάσπαση του νερού, είναι όμως συγκριτικά ακριβές. Η δεύτερη προσέγγιση κάνει χρήση μικροοργανισμών, οι οποίοι είναι μεν φτηνοί, όμως μέχρι τώρα παράγουν ελάχιστες μόνο ποσότητες υδρογόνου. Τέλος, η τρίτη επιλογή είναι η φωτοκατάλυση, η οποία βασίζεται στα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται στιγμιαία μέσα σε έναν ημιαγωγό. Από αυτά, όσα συναντούν μόρια νερού παίρνουν τη θέση των ηλεκτρονίων που συμμετέχουν στους δεσμούς μεταξύ υδρογόνου και οξυγόνου ―έτσι, τα μόρια νερού διασπώνται και παράγεται αέριο υδρογόνο. Οι φωτοκαταλύτες είναι γενικά λιγότερο ακριβοί από τις ηλιακές κυψέλες, ενώ παράγουν περισσότερο υδρογόνο σε σχέση με τους μικροοργανισμούς.

Το πρόβλημα, ωστόσο, είναι ότι οι φωτοκαταλύτες μέσω των οποίων επιτυγχάνεται η διάσπαση του νερού πρέπει και να δραστηριοποιούνται μέσα στο νερό· όμως εκείνοι που το κάνουν αποκρίνονται μόνο στο υπεριώδες φως, το οποίο αποτελεί μόλις το 4% περίπου του ηλιακού. Από την άλλη, τα διάφορα υλικά που απορροφούν το, αφθονότερο, ορατό τμήμα της ηλιακής ακτινοβολίας έχουν την τάση να διαλύονται μέσα στο νερό.

Στην προσπάθειά τους να αντιμετωπίσουν το ζήτημα της αποδοτικότητας, οι επιστήμονες στράφηκαν στους νανοσωλήνες διοξειδίου του τιτανίου. Η μορφή σωλήνα της συγκεκριμένης ένωσης της προσδίδει περίπου πενταπλάσια αποδοτικότητα σε σχέση με εκείνη της τυπικότερης μορφής φιλμ, διότι το σωληνοειδές της σχήμα δίνει τη δυνατότητα στα ηλεκτρόνια να παραμένουν ελεύθερα για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Έτσι, ένα ηλεκτρόνιο έχει πια μεγαλύτερη πιθανότητα να διασπάσει ένα μόριο νερού.

Ο Craig Grimes, ηλεκτρολόγος μηχανολόγος του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Πενσιλβάνιας, και η ομάδα του πέτυχαν αποδοτικότητα της μεθόδου που βασίζεται στη χρήση υπεριώδους ακτινοβολίας για την απόληψη υδρογόνου από νερό λίγο πάνω από το 12%, βασιζόμενοι σε νανοσωλήνες διοξειδίου του τιτανίου μήκους 6 μικρομέτρων (εκατομμυριοστών του μέτρου). Οι νανοσωλήνες αυτοί παράγουν 80 χιλιοστόλιτρα υδρογόνου ανά ώρα ανά βατ υπεριώδους φωτός, επίδοση ρεκόρ για ένα αποκλειστικά φωτοκαταλυτικό σύστημα.

Τώρα δύο ομάδες, αυτή του χημικού Allen Bard και των συναδέλφων του στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν και εκείνη των ερευνητών του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Πενσιλβάνιας, άρχισαν να κατασκευάζουν νανοσωλήνες διοξειδίου του τιτανίου που αποκρίνονται και στο ορατό φως. Για να το επιτύχουν αυτό προσέθεσαν άνθρακα στους νανοσωλήνες διοξειδίου του τιτανίου προκειμένου να μετατοπίσουν τα απορροφούμενα από τους νανοσωλήνες μήκη κύματος προς την ορατή περιοχή του φάσματος. Όπως δηλώνει ο Bard, η μετατόπιση αυτή έχει ως αποτέλεσμα το διπλασιασμό της αποδοτικότητας διάσπασης κατά τη χρήση φωτός τεχνητής σύνθεσης όσον αφορά την αναλογία υπεριώδους και ορατού. Το επόμενο βήμα είναι η επινόηση ενός υλικού νανοσωλήνων που θα έχει υψηλή αποδοτικότητα στο αμιγώς ορατό φως.

Οι παραπάνω ομάδες έχουν ως σκοπό να εκτοξεύσουν την αποδοτικότητα διάσπασης του νερού την οποία επιδεικνύουν οι νανοσωλήνες διοξειδίου του τιτανίου στο ορατό φως πάνω από το στόχο τού 10% που έχει θέσει το αμερικανικό Υπουργείο Ενέργειας για το 2010. Σύμφωνα με υπολογισμούς τού Grimes, αν η μέση αμερικανική οροφή καλυπτόταν με ένα φωτοκαταλύτη ορατού φωτός αποδοτικότητας 12%, τότε αυτός θα παρήγε ημερησίως ποσότητα υδρογόνου η οποία θα ισοδυναμούσε ενεργειακά με 11 λίτρα βενζίνης.

Επιστημονικά Νέα - Ιούνιος, 2006