A megújuló energia, mint a nap- vagy szélenergia előállítása és tárolása kulcsfontosságú az úgynevezett tiszta energiagazdálkodásban. A kizárólag napfény, víz és széndioxid alkalmazásával termelendő energia költséghatékony létrehozására megalapított, több amerikai intézet kutatólaboratóriumait összefogó Egyesített Mesterséges Fotoszintézis Központ (JCAP) 2010-ben kezdte meg tevékenységét. Az elmúlt 5 év alatt a JCAP kutatói nagy előrelépéseket tettek céljuk megvalósítása felé, augusztus végén bejelentve az első teljes értékű, hatékony, biztonságos integrált napenergia működtette rendszert a víz kiválasztásához, hogy ezáltal hidrogén üzemanyagokat állítsanak elő.

A növények természetes fotoszintézisét leutánzó rendszer gyakorlatilag egy mesterséges levél, ami Nate Lewis és Harry Atwater professzorok, valamint munkatársaik együttműködését dicséri. "A bejelentett szerkezet egy többéves, átfogó erőfeszítés eredménye, definiálva egy integrált nap-üzemanyag generátor összetevőit" - mondta Atwater, a Caltech alkalmazott fizika és az anyagtudományok professzora.


Az új rendszer három fő összetevőből, egy membránból és két elektródából, egy fotoanódból és egy fotokatódból áll. A fotoanód a napfény hatására oxidálja a vízmolekulákat, protonokat és elektronokat, valamint oxigéngázt termel. A fotokatód újraegyesíti a protonokat és elektronokat, hidrogéngázt alkotva. A műanyag membrán szerepe a hidrogén- és az oxigéngáz külön tartása, keveredés esetén ugyanis gyulladás alakulhat ki, ami robbanáshoz vezetne. A membrán ezt meggátolja és lehetővé teszi a hidrogén üzemanyag elkülönített, nyomás alatti tárolását, majd egy csővezetékbe juttatását.

A félvezetők, mint a szilícium vagy a gallium-arzenid hatékonyan nyelik el a fényt, ezért alkalmazzák a napelemeknél. Azonban ezek az anyagok, ha felületük víznek van kitéve szintén oxidálódnak, rozsdásodnak, tehát nem alkalmazhatók közvetlenül üzemanyag előállítására. Egy áttörés segítségével hajszálvékony titánium-dioxid (TiO2) réteggel vonták be az elektródákat, ami védelmet nyújt a korrózió ellen, ugyanakkor nem gátolja a fény és az elektronok átjutását. A Lewis laboratóriuma által kifejlesztett eljárásban 62,5 nanométer vastag réteget alkalmaztak gallium-arzenid fotoelektrodákon.

Egy másik kulcsfontosságú előrelépés is történt a katalizátorok területén. A katalizátorra a fotoanódnak van szüksége a víz szétválasztási reakcióhoz. Az igazán hatékony katalizátorok általában ritka és drága fémek, mint a platina, a kutatóknak azonban sikerült kiváltaniuk egy sokkal olcsóbb aktív katalizátorral, 2 nanométer vastagságú nikkel réteget adva a TiO2 felületére. Az így kapott katalizátor az egyik legaktívabb ismert katalizátor a vízmolekulák oxigénre, protonokra és elektronokra bontásához. A fotokatód ugyancsak egy aktív, költséghatékony nikkel-molibdén katalizátort kapott.

A demonstrációs rendszer megközelítőleg egy négyzetcentiméter területű, a napfény 10 százalékát alakítja tárolt energiává, és több mint 40 óra folyamatos működésre képes. Lewis elmondása szerint biztonságát, stabilitását és teljesítményét tekintve az eddigi mesterséges levél technológiák 5-10-szeresét nyújtja. "Munkánk bizonyítja, hogy valóban lehetséges napfényből olcsó alkatrészekkel is biztonságosan és hatékonyan üzemanyagot előállítani" - tette hozzá. "Természetesen még dolgoznunk kell a rendszer élettartamának meghosszabbításán és a teljes rendszerek költséghatékony gyártási módszereinek kifejlesztésén. Mindkettő folyamatban van"