Světlo, kyslík a trpělivost vědců dokázalo změnit obyčejnou chemikálii v příběh budoucnosti

Peroxid vodíku je látka, kterou má většina lidí spojenou s malou hnědou lahvičkou v domácí lékárničce. Kapalina, která pění na odřeném koleni, však patří mezi nejdůležitější chemické sloučeniny moderní civilizace. Používá se při výrobě papíru, v textilním průmyslu, při čištění pitné vody, v ekologických technologiích i v medicíně. Právě proto je způsob jeho výroby zásadním tématem dnešní chemie.

Tradiční průmyslové postupy jsou energeticky náročné, vyžadují vysoké teploty a tlak a používají pomocné látky, které zatěžují životní prostředí. Studie publikovaná v časopise Nature Communications přináší nový pohled na to, jak by výroba peroxidu vodíku mohla vypadat v budoucnosti, tedy tiše, při pokojové teplotě a za pomoci světla.

Autoři studie se inspirovali tím, jak chemii řeší sama příroda. V živých organismech probíhají extrémně složité chemické reakce s obdivuhodnou přesností, aniž by bylo potřeba vysokých teplot nebo agresivních chemikálií. Klíčovou roli zde hrají enzymy, tedy bílkoviny, které urychlují chemické reakce a zároveň přesně určují jejich průběh. Jedním z takových enzymů je cytochrom c oxidáza, která v buňkách zajišťuje přenos elektronů na kyslík. Elektrony se v enzymu pohybují po přesně dané trase, krok za krokem, a kyslík je díky tomu redukován kontrolovaným způsobem. Právě tuto schopnost chtěli vědci napodobit v pevném materiálu.

Základem nového katalyzátoru se staly takzvané carbon dots, tedy uhlíkové nanočástice o velikosti přibližně 2 až 10 nanometrů. Pro představu, jeden nanometr je miliardtina metru. Tyto částice mají schopnost absorbovat světlo a přeměňovat jeho energii na pohyb elektronů. Do jejich struktury byly zabudovány jednotlivé atomy mědi, tedy skutečně jednotlivé atomy, nikoli shluky nebo nanočástice kovu. Tento přístup se nazývá jednoatomová katalýza, což znamená, že každý aktivní atom je izolovaný a přesně ukotvený v materiálu. Takové uspořádání umožňuje mimořádně přesnou kontrolu chemické reakce.

Když je tento materiál osvětlen světlem o vlnové délce 420 nanometrů, což odpovídá modrofialové části viditelného spektra, dochází k excitaci elektronů. Elektrony získají energii a mohou se pohybovat materiálem. V běžných katalyzátorech se tyto elektrony často rychle ztrácí, protože se spojí s takzvanými děrami, tedy místy, kde elektron chybí a které funguje jako kladný nosič náboje. V novém materiálu však uhlíkové nanočástice a jednoatomová centra mědi fungují jako řízený systém, který elektrony vede správným směrem. Elektrony putují k molekulám kyslíku rozpuštěného ve vodě a redukují je přesně dvouelektronovým mechanismem, což znamená, že vzniká peroxid vodíku a nikoli voda nebo jiné nežádoucí produkty.

Experimentální výsledky ukázaly, že při použití 0,5 miligramu katalyzátoru na jeden mililitr roztoku vzniklo během 60 minut osvětlení přibližně 120 mikromolů peroxidu vodíku. Selekce reakce dosahovala hodnoty kolem 95 procent, což znamená, že téměř všechen kyslík byl přeměněn na požadovaný produkt. Takto vysoká selektivita je v oblasti fotokatalýzy výjimečná, protože běžné materiály často produkují směs různých látek.

Zásadním faktorem úspěchu byla také dlouhá životnost fotogenerovaných elektronů. Měření ukázala, že elektrony zůstávají aktivní až 8,6 nanosekundy. V kontextu nanoměřítka je to dlouhá doba. Pro srovnání, v mnoha běžných fotokatalyzátorech dochází ke ztrátě energie během jedné až dvou nanosekund. Delší životnost znamená vyšší šanci, že elektron vykoná užitečnou chemickou práci, místo aby se ztratil.

Vědci se nezaměřili pouze na výkon, ale i na stabilitu materiálu. Katalyzátor byl testován v deseti po sobě jdoucích cyklech, které dohromady trvaly 600 minut. Po této době si materiál zachoval více než 90 procent své původní aktivity. To je klíčový rozdíl oproti enzymům v živých organismech, které jsou sice extrémně účinné, ale často citlivé na změny prostředí. Pevný materiál si zachovává funkčnost i při dlouhodobém používání.

Když se tento laboratorní výsledek převede do reálnějších měřítek, vyjde z něj překvapivě srozumitelný obraz. Při podmínkách popsaných ve studii, tedy při koncentraci 0,5 miligramu katalyzátoru na jeden mililitr roztoku a při osvětlení modrým světlem o vlnové délce 420 nanometrů, vznikají z kyslíku a vody zhruba čtyři gramy peroxidu vodíku na jeden litr roztoku za hodinu. To znamená, že výroba běžného tříprocentního roztoku, jaký známe z lékáren, by zabrala přibližně sedm až osm hodin nepřetržitého „svícení“.

Když se tento laboratorní proces přepočítá na peníze, rozdíl mezi „peroxidem ze světla“ a peroxidem z lékárny je na první pohled propastný. Běžný tříprocentní roztok peroxidu vodíku dnes stojí v lékárně zhruba sto až sto padesát korun za litr a jeho výroba v průmyslových provozech probíhá nepřetržitě ve velkých objemech. Naproti tomu laboratorní metoda popsaná ve studii by při současných podmínkách vyrobila stejný litr zhruba za sedm až osm hodin intenzivního osvětlení, s použitím drahého katalyzátoru a laboratorní techniky, což by při započtení energie, materiálů a času vyšlo řádově na stovky až tisíce korun za litr.

Jinými slovy, tento peroxid by byl nesrovnatelně dražší než ten, který si dnes koupíme u pultu, a v této podobě by nedával byznys model ekonomický smysl. Skutečný význam studie proto neleží v ceně výsledného roztoku, ale v tom, že poprvé ukazuje cestu, jak lze peroxid vodíku vyrábět bez fosilních surovin, bez vysokých tlaků a bez složité infrastruktury, tedy způsobem, který se dnes nevyplatí, ale z hlediska budoucí chemie je zásadní.

Jde tedy o technologii, která by mohla být v budoucnu škálována a optimalizována pro průmyslové podmínky, kde by použití vyšší koncentrace katalyzátoru, většího objemu a intenzivnějšího osvětlení umožnilo produkovat peroxid vodíku mnohem rychleji a efektivněji, s minimální spotřebou energie a chemikálií.

Autoři studie rovněž ukázali, že tento přístup není omezen pouze na měď. Experimentovali s atomy železa a niklu a zjistili, že změna kovu umožňuje jemně ladit vlastnosti katalyzátoru. To naznačuje, že stejný princip by mohl být použit i pro jiné chemické reakce, například pro redukci oxidu uhličitého nebo výrobu dalších chemických surovin pomocí světla.

Celý výzkum ukazuje, že budoucnost chemie nemusí spočívat v extrémních podmínkách, ale v chytře navržených materiálech, které se inspirují přírodou. Každý atom má v takovém systému jasně danou roli, každý elektron má svůj směr a světlo se stává hlavním zdrojem energie. Tento přístup spojuje lidskou vynalézavost s principy, které příroda zdokonalovala miliony let, a otevírá cestu k chemii, která je nejen účinná, ale i ohleduplná k životnímu prostředí, ve kterém žijeme.