Sztuczna fotosynteza Advance: Samodzielne urządzenie przekształca światło słoneczne, CO2 i wodę w czyste paliwo

To urządzenie, opracowane przez zespół z University of Cambridge, jest znaczącym krokiem w kierunku osiągnięcia sztucznej fotosyntezy – procesu naśladującego zdolność roślin do przekształcania światła słonecznego w energię. Opiera się na zaawansowanej technologii „fotoarkusza” i przekształca światło słoneczne, dwutlenek węgla i wodę w tlen i kwas mrówkowy – paliwo do przechowywania, które może być używane bezpośrednio lub przekształcone w wodór. Uznanie: Uniwersytet Cambridge

Naukowcy opracowali samodzielne urządzenie, które przekształca światło słoneczne, dwutlenek węgla i wodę w paliwo neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla, bez konieczności stosowania dodatkowych komponentów lub energii elektrycznej.

Urządzenie, opracowane przez zespół z University of Cambridge, jest znaczącym krokiem w kierunku osiągnięcia sztucznej fotosyntezy – procesu naśladującego zdolność roślin do przekształcania światła słonecznego w energię. Opiera się na zaawansowanej technologii „fotoarkusza” i przekształca światło słoneczne, dwutlenek węgla i wodę w tlen i kwas mrówkowy – paliwo do przechowywania, które może być używane bezpośrednio lub przekształcone w wodór.

Wyniki, zgłoszone w czasopiśmie Nature Energy, stanowią nową metodę przekształcania dwutlenku węgla w czyste paliwa. Urządzenie bezprzewodowe może być skalowane i wykorzystywane w „farmach” energetycznych podobnych do farm słonecznych, wytwarzając czyste paliwo przy użyciu światła słonecznego i wody.

Pozyskiwanie energii słonecznej w celu przekształcenia dwutlenku węgla w paliwo jest obiecującym sposobem na zmniejszenie emisji dwutlenku węgla i odejście od paliw kopalnych. Jednak, jest to trudne do produkcji tych czystych paliw bez niechcianych produktów.

„Trudno było osiągnąć sztuczną fotosyntezę z wysokim stopniem selektywności, tak, że jesteś konwersji jak najwięcej światła słonecznego, jak to możliwe do paliwa chcesz, a nie pozostawić z dużą ilością odpadów”, powiedział pierwszy autor dr Qian Wang z Cambridge’s Department of Chemistry.

„Ponadto magazynowanie paliw gazowych i oddzielanie produktów przezapierzciowych może być skomplikowane – chcemy dotrzeć do punktu, w którym możemy wczytyć wyprodukować płynne paliwo, które można łatwo przechowywać i transportować”, powiedział profesor Erwin Reisner, starszy autor artykułu.

W 2019 roku naukowcy z grupy Reisner opracowali reaktor słoneczny oparty na konstrukcji „sztucznego liścia”, który wykorzystuje również światło słoneczne, dwutlenek węgla i wodę do produkcji paliwa, znanego jako gaz syntezowy. Nowa technologia wygląda i zachowuje się bardzo podobnie do sztucznego liścia, ale działa w inny sposób i wytwarza kwas mrówkowy.

Podczas gdy sztuczny liść używany komponentów z ogniw słonecznych, nowe urządzenie nie wymaga tych składników i opiera się wyłącznie na fotokatality osadzone na arkuszu do produkcji tzw arkusz fotokatalista. Arkusze wykonane są z proszków półprzewodnikowych, które można łatwo i tanio przygotować w dużych ilościach.

Ponadto ta nowa technologia jest bardziej wytrzymała i wytwarza czyste paliwo, które jest łatwiejsze do przechowywania i pokazuje potencjał do wytwarzania produktów paliwowych na dużą skalę. Jednostka testowa ma rozmiar 20 centymetrów kwadratowych, ale naukowcy twierdzą, że skalowanie jej do kilku metrów kwadratowych powinno być stosunkowo proste. Ponadto kwas mrówkowy może być gromadzony w roztworze i być chemicznie przekształcony w różne rodzaje paliwa.

„Byliśmy zaskoczeni, jak dobrze to działa pod względem jego selektywności – produkowane prawie nie produkty by-„, powiedział Wang. „Czasami rzeczy nie działają tak dobrze, jak się spodziewałeś, ale był to rzadki przypadek, w którym rzeczywiście działało lepiej.”

Katalizator na bazie kobaltu do konwersji dwutlenku węgla jest łatwy do wykonania i stosunkowo stabilny. Chociaż technologia ta będzie łatwiejsza do skalowania niż sztuczny liść, wydajność nadal musi zostać zwiększona, zanim będzie można rozważyć jakiekolwiek komercyjne wdrożenie. Naukowcy eksperymentują z szeregiem różnych katalizatorów, aby poprawić zarówno stabilność, jak i wydajność.

Aktualne wyniki uzyskano we współpracy z zespołem profesora Kazunari Domen z Uniwersytetu w Tokio, współautora badania.

Naukowcy pracują obecnie nad dalszą optymalizacją systemu i poprawą wydajności. Dodatkowo badają inne katalizatory do wykorzystania w urządzeniu, aby uzyskać różne paliwa słoneczne.

„Mamy nadzieję, że ta technologia utoruje drogę do zrównoważonej i praktycznej produkcji paliwa słonecznego”, powiedział Reisner.

Referencje: „Molekularnie zaprojektowany arkusz fotokatalitów do skalowalnej produkcji formatu słonecznego z dwutlenku węgla i wody” autorstwa Qian Wang, Julien Warnan, Santiago Rodríguez-Jiménez, Jane J. Leung, Shafeer Kalathil, Virgil Andrei, Kazunari Domen i Erwin Reisner, 24 sierpnia 2020, Nature Energy.