Magyar ERC-győztes kutatás a napfényt hasznosítja a vegyészetben

A kutató korábbi ERC Starting Grant pályázata teljes mértékben anyagtudományi fókuszú volt: olyan új anyagokat kerestek, amelyeken nagy környezetvédelmi, illetve ipari jelentőségű kémiai átalakítások végezhetők
(pl. a szén-dioxid alkohollá alakítása). A mostani pályázat a korábbi eredményekre támaszkodik, de nagyban túlmutat rajta. A legnagyobb újítás, hogy a következő évek kutatásai során a reakciókat lehetővé tévő anyagok kutatásán túl áramlásos foto-elektrokémiai cellákat fognak fejleszteni, amelyeket aztán teljes rendszerekbe foglalnak. A kémiai átalakításhoz pedig
a koncentrált napfény fogja biztosítani az energiát.

„A célunk, hogy a foto-elektrokémiai reakciók teljesen új megközelítését valósítsuk meg.

A korábbi törekvésekkel ellentétben ugyanis mi kizárólag folyamatos áramlású rendszerekkel foglalkozunk – mondja Janáky Csaba. – A klasszikus kémiában minden összetevőt összerakunk egy reaktorban (ami ebben az esetben egy elektrokémiai cella), majd lejátszódik a reakció, és kivesszük belőle a terméket. De a modern kémia és a vegyipar ehelyett a folyamatos áramlású rendszerek irányába tart.”

Janáky Csaba Fotó: Sahin-Tóth István – Szegedi Tudományegyetem

A folyamatos áramlás ebben az esetben azt jelenti, hogy folyamatosan adagolják a foto-elektrokémiai cellákba az átalakítandó anyagokat, és ugyanilyen folyamatosan nyerik ki belőle a termékeket. Emiatt nincs szükség hatalmas gyárak építésére, hiszen a folyamatos reakció sokkal kisebb teret igényel. De hogy jön ide a napenergia?

A kutató elmondása szerint a napenergiát számos eljárással lehet hasznosítani. A legismertebb ezek közül a sok háztetőn is látható napelem, amelyben
a napfénnyel való megvilágítás során áram jön létre, majd bizonyos esetekben az így termelt elektromos áram kémiai reakciókhoz (pl. hidrogén előállításához vagy a szén-dioxid átalakításához) biztosít energiát. Ezzel szemben
a fotoszintézis során a növények tisztán kémiai módon hasznosítják
a napenergiát. E két végpont között az energiakonverzió köztes megvalósulása képzelhető el, és ott van az a módszer is, amellyel Janáky Csaba és munkatársai foglalkoznak.

E fotoelektrokémiai eljárások során ugyanolyan jellegű (félvezető) anyagokat használnak, mint amilyenek a napelemekben találhatók, csak nem áramot termelnek velük, hanem

olyan kémiai reakciókat valósítanak meg
a felületükön a napfény hatására, mint amilyen átalakulások a fotoszintézis során is végbemehetnek.

„Ez a napelemek modern technológiája és az évmilliók óta létező fotoszintézis szerelemgyereke” – mondja Janáky Csaba. Ha ez működik, akkor a két folyamat előnyeit együttesen lehet kihasználni.

De ez túl szépen hangzik ahhoz, hogy ilyen egyszerű legyen, ismeri el
a kémikus, hiszen e célok és maga a tudományterület is már évtizedek óta létezik, de eddig még nem sikerült átütő sikereket elérni. A kutató szerint éppen azért kapott támogatást a pályázat, mert egy teljesen új megközelítést javasol, és szakítani igyekszik az évtizedes dogmákkal. Ehhez igyekeznek hasznosítani a legmodernebb felfedezéseket más tudományterületekről: így
a napelemek és az elektrolizálócellák területén született újdonságokat, illetve a mesterséges intelligencia legújabb vívmányait is.

Az elmúlt másfél évben Janáky Csaba kutatócsoportja már nagyon ígéretes előzetes eredményeket ért el a területen, amelyek bizonyítják, hogy az elgondolásuk életképes, és a foto-elektrokémiai folyamatok a megszokottól eltérő módon is végrehajthatók.

Janáky Csaba és kutatócsoportja Fotó: Sahin-Tóth István – Szegedi Tudományegyetem

A foto-elektrokémiai cellák mérete széles tartományban változtatható, így
a legkülönfélébb felhasználási területeken használhatók. A kutatócsoport által alkalmazott eljárás egyik különlegessége mégis az, hogy ők koncentrált megvilágítással dolgoznak: ún. koncentrátortányérokkal irányítják a napfényt egy kisebb részre,

így akár ezerszeresére is növelhető az adott felületre eső teljesítmény.

A foto-elektrokémiai cella megvilágított pontján játszódik le a reakció.
„A vizsgálataink abból a szempontból is úttörő jellegűek, hogy mi
az elektrokémiai folyamatok mindkét félreakcióját, tehát az oxidációt és
a redukciót is hasznosítani kívánjuk. A klasszikus megközelítésben mindig csak az egyik reakciót hasznosították, a másikat pedig szükséges rossznak tekintették, és nem volt törekvés arra, hogy azzal is kezdjenek valami hasznosat – érvel Janáky Csaba. – Mi viszont úgy fogunk párosítani és egy cellában összerakni anód-, illetve katódfolyamatokat, hogy mindkettő hasznos terméket eredményezzen. Ezzel megnöveljük az egész folyamat értékét
az ipari hasznosíthatóság szempontjából.”

Ez persze megint rengeteg tudományos kérdést vet fel, hiszen eddig kevesen próbálkoztak azzal, hogy két nagy értékű termékeket termelő folyamatot ötvözzenek. Számos paraméterre és körülményre kell figyelni, például
az anyagok egymásra tett hatására – ezt takarja a kutató által felvázolt új megközelítés. A gyakorlati kutatások első lépésében olyan foto-elektrokémiai cellákat fognak tervezni, amelyek alkalmasak lehetnek a célok megvalósítására. Modellezni fogják a különböző reaktánsok áramlását és a rendszerek hőháztartását. Elkészítik az első cellákat, és amelyik jól működik, aköré építenek egy teljes rendszert. Vagyis a teljes folyamat összes lépését kidolgozzák, a nyersanyagok betáplálásától a koncentrált napfénnyel való megvilágításon keresztül a végtermékek kinyeréséig és elemzéséig.

Az egész rendszer autonóm módon fog működni, a vezérlőalgoritmust is
a kutatócsoport és együttműködő partnerei fogják fejleszteni. A folyamatok során rendkívül sok paraméter hat a rendszer egészének működésére.
Ez egyrészt nehézséget jelent, ugyanakkor lehetőséget is teremt a rendszer szabályozására, hiszen számos ponton lehet beavatkozni.

Mindezt egy gépi tanuláson alapuló algoritmus is elvégezheti, amivel túlléphetünk a kémiai intuíció vezérelte kísérlettervezésen.

A következő fázisban új anyagokkal, új cellakonstrukciókkal kezdenek el kísérletezni, vagyis a kutatás egésze körkörös folyamatként fog lejátszódni.

Az elgondolás szerint alapanyagként vegyipari vagy környezeti hulladékot alkalmaznak. Ez lehet glicerin (amely a biodízel-előállítás mellékterméke), szén-dioxid vagy más szerves anyagok. Janáky Csaba elmondta, hogy ők
a vegyipari folyamatok melléktermékeire nyersanyagként tekintenek, hiszen
„a körforgásos gazdaságra való átállás kulcsfontosságú lépése, hogy
a melléktermékek nyersanyaggá váljanak. Ezekből fogunk olyan nagy értékű termékeket előállítani, mint az etilén, az etil-alkohol, a hangyasav – vagyis
a vegyipar leggyakoribb alapanyagait, amelyeket jelenleg fosszilis szénhidrogénekből állítanak elő nagy környezeti lábnyommal. Ezzel két legyet üthetünk egy csapásra, hiszen egyrészt hulladékból indulunk ki, másrészt pedig kiválthatunk olyan energiaigényes eljárásokat, amelyek fontos szerepet játszanak a klímaváltozásban.”