Slovenski raziskovalci z novim korakom pri raziskavah cepitve vode in reševanju potreb po čisti energiji

Izgorevanje vodika je eden najbolj čistih virov energije, saj je produkt reakcije voda, pri tem pa se sprosti velika količina energije. Eden od načinov pridobivanja vodika pa je razklop oz. cepitev vode, ki je obratna kemijska reakcija, pri kateri se voda cepi na vodik in kisik. Do termičnega razklopa vode na primer pride šele pri temperaturah nad 2000 stopinj Celzija, kar odraža izjemno energetsko zahtevnost te reakcije. Kot še navajajo raziskovalci z Instituta Jožef Stefan, pridobivanje vodika v postopkih cepitve vode dandanes pokriva le štiri odstotke vse svetovne produkcije.

Po drugi strani pa v naravi poznamo proces fotosinteze, kjer se cepitev vode z nekoliko drugačnimi produkti odvija že pri atmosferskih pogojih. Ob tem pa se poraja vprašanje, s katerim se znanstveniki ukvarjajo že več kot 50 let, in sicer, ali bi bilo mogoče najti podobno učinkovit proces cepitve vode, katerega produkt bi bil vodik?

Odgovor na to vprašanje bi lahko predstavljalo nedavno odkritje, do katerega so po naključju prišli sodelavci Odseka za Nanostrukturne materiale Instituta Jožef Stefan pri proučevanju hidrotermalne rasti minerala rutila in preučevanju stabilnosti njegovih fibrastih struktu. Začetki njihovih raziskav segajo v leto 2014, ko je doktorandka Vanja Jordan pod mentorstvom profesorja Aleksandra Rečnika pričela s študijem vpliva različnih pogojev sinteze na rast rutila. V eni izmed sintez je opazila, da pri določenih pogojih rutil raste fibrasto. Za to rast dolgo ni bilo pametne razlage, dokler se v študijo ni vključila Vesna Ribić z Univerze v Beogradu, ki je pričela s sistematičnim strukturnim modeliranjem in kvantno-kemijskimi izračuni, dokler ni prišla do končne rešitve, ki je dala odgovor na opažene strukturne zamike med fibri. Še več, pokazalo se je, da se voda, prisotna med takšnimi fibri spontano cepi (disociira) na ione.

Kot je za STA pojasnil profesor Rečnik, so do odkritja prišli naključno. "Naš osnovni namen je bil zgolj preučiti strukturo fibrov in ugotoviti, kaj se dogaja v prostoru med dvema fibroma. Čisto naključno pa smo ugotovili, da sila v tem omejenem prostoru med fibri povzroča razpad vode," je pojasnil. Dodal je še, da je rutil sicer tehnološko poznan kot material, ki zna na svoji površini pod vplivom UV žarkov cepiti vodo, vendar pa je učinkovitost v tem primeru zelo majhna. V njihovem primeru so z izračuni pokazali, da pride zaradi interakcij med mineralnima površinama do kar 25-odstotnega razklopa vode, kar je precej več, kot so kazale dosedanje študije. Čeprav bo na tem področju potrebno še veliko dela, je ta študija po besedah profesorja Rečnika prva iskrica upanja, da bi bilo mogoče razviti učinkovit postopek katalitskega cepljenja vode za pridobivanje vodika, s tem pa morda prispevati tudi delček v mozaiku reševanja svetovnih potreb po čisti energiji.

Pri študiji so sodelovali še Sandra Drev iz Centra za elektronsko mikroskopijo in mikroanalizo, Janez Kovač z Odseka za tehnologijo površin in optoelektroniko ter profesor Goran Dražić s Kemijskega inštituta. Slovenski raziskovalci so svojo študijo objavili v prestižni znanstveni reviji s področja materialov Advanced Materials založbe Wiley. Članek z naslovom Mnemonic rutile-rutile interfaces triggering spontaneous dissociation of water je bil ob objavi uvrščen v kategoriji Editor's choice ter Hot topic na področju fotokatalitskega cepljenja vode, so še sporočili z Instituta Jožef Stefan.