Výrobu paliv mohou zefektivnit nanokrystaly

Nanomateriály jsou hudbou budoucnosti. Jeden takový může pomoci při výrobě metanu a dalších paliv ze skleníkových plynů, například z oxidu uhličitého. Vedle toho některé krystaly hojně využívaného oxidu titaničitého umějí blikat jako světlušky. Přišla na to Eliška Materna Mikmeková z brněnského Ústavu přístrojové techniky AV ČR, která na výzkumu bílého prášku spolupracuje s americkými kolegy z Rutgers University.

Věděli jste, že když jste si letos o dovolené na zahradě vtírali do kůže opalovací krém, abyste se ochránili před spalujícími paprsky slunce, mimo jiné jste na sebe nanášeli i oxid titaničitý neboli TiO₂? Bez téže sloučeniny se brzy neobejdou ani školáci v hodinách výtvarné výchovy – titanovou bělobu obsahuje každé balení temperových barev. S bílou souvisí i další využití tohoto většinou průmyslově vyráběného minerálu: přidává se do barev, laků, plastů, kosmetických produktů, sahá se po něm ale i ve farmacii (to díky němu jsou tabletky krásně bílé) a často také v potravinářství, kde se ukrývá pod označením E171. Oxidu titaničitého se pro různá odvětví průmyslu ročně na světě vyrobí více než deset milionů tun.

Jeho základní vlastnost – pigment – ovšem pomáhá i v oblasti, ve které by to jen málokdo čekal. Při správném nastavení procesu díky nanokrystalům oxidu titaničitého vznikají velice efektivně paliva například ze škodlivého oxidu uhličitého (CO₂), umožňují to jejich neobvyklé fyzikální vlastnosti související se záchytem elektronů. Jak nedávno zjistila Eliška Materna Mikmeková z Ústavu přístrojové techniky AV ČR, krystaly TiO₂ menší než deset nanometrů s vhodným uspořádáním atomů a definovanými defekty ve struktuře, jež vyvinul americký tým okolo Teddyho Asefy z Rutgers University, dokážou po ozáření světelným či elektronovým svazkem dlouhou dobu „blikat“, jinými slovy umějí se dostat do stavu ON a OFF a vydržet v něm řádově sekundy. Celé to při pohledu pod mikroskopem vypadá jako roj světlušek ve tmě.

Obr. „Blikající“ nanokrystal TiO₂ v elektronovém mikroskopu

„Po ozáření elektronovým svazkem krystaly blikají až patnáct sekund, ale třeba světelný paprsek vyvolal i půlhodinovou reakci. Běžné fyzikální procesy přitom trvají běžně méně než nanosekundy, což lidským okem není postřehnutelné. Tohle je naopak něco, co můžete pozorovat. Vypočítáváte: jedna, dva, tři, čtyři – a pořád to svítí,“ vysvětluje Eliška Materna Mikmeková vlastnost, kterou při svém výzkumu objevila a popsala v časopisech Angewandte Chemie a Chemical and Engenneering News.

Zelená vlna má zelenou

Byť je výzkum v oblasti nanočástic v začátcích, blýská se na zářnou budoucnost. Krystaly oxidu titaničitého by mohly fungovat například jako velice účinný fotokatalyzátor – díky svým vlastnostem dokážou urychlit přirozený rozklad některých látek pouhým působením světla. Ze skleníkových plynů, jako je oxid uhličitý, lze v kooperaci s jeho titaničitým „kolegou“ vyrobit metan či jiná paliva, navíc levně a celkem jednoduše.

„Přeměna CO₂ na metan za přítomnosti různých katalyzátorů je známý proces, ale je ekonomicky náročný. Prostřednictvím oxidu titaničitého je možné celou reakci urychlit a hlavně zefektivnit, jelikož užívá ‚zdarma‘ volnou energii ze slunečního záření. Takto pojatá zelená vlna má smysl,“ upozorňuje vědkyně, jež v Ústavu přístrojové techniky AV ČR stojí v čele výzkumného týmu mikroskopie a spektroskopie povrchů. Výsledky jejího výzkumu znamenají velký příslib pro ekologii, v budoucnu by „blikající“ krystaly mohly zajišťovat čištění prostředí od škodlivých skleníkových plynů, být součástí senzorů, elektronických zařízení nebo solárních článků, kde by TiO₂ implementovaný do aktivní vrstvy panelu násobil produkci energie.

Zmiňuje také ožehavé téma, a to možnou toxicitu nanokrystalů oxidu titaničitého. Například v Evropě je zakázáno přidávat ho do kojeneckých výživ. „Co se týká nanočástic, výzkum není tak daleko, aby byly známé všechny jejich dopady na lidské zdraví, zvláště jejich usazení v plicích. Ví se ovšem, že spolu s velikostí krystalů se rapidně mění jeho vlastnosti. Tak například odborné články hovoří o možnosti aplikace nanokrystalů TiO₂ do nátěrových hmot například v nemocnicích, kde působí antibakteriálně – podobně jako se uplatňuje koloidní stříbro. Dořešit se musí, jak je to se zdravotní nezávadností meziproduktů vzniklých během fotokatalytických reakcí. Na podobném ‚samočisticím‘ principu by ale mohly fungovat třeba i roušky, které by se čistily během nošení za denního světla, což je nyní dosti aktuální téma. Každopádně abychom byli schopni plně využít obrovský potenciál těchto exotických nanokrystalů, musíme jejich chování co nejpodrobněji prozkoumat a pochopit, výzkum proto stále pokračuje,“ uzavírá Eliška Materna Mikmeková. (28.8.2020)