System „energia słoneczna-paliwo" przetwarza CO2 do etanolu i etylenu

BERKELEY LAB

Naukowcy z Laboratorium Narodowego Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) wykorzystali zdolność fotosyntezy do przekształcania dwutlenku węgla w paliwa i alkohole. Osiągnięcie to stanowi krok milowy w wysiłkach zmierzających do osiągnięcia trwałych źródeł paliwa.

Wiele systemów skutecznie zredukowało dwutlenek węgla do prekursorów chemicznych i paliwowych, takich jak tlenek węgla lub mieszanina tlenku węgla i wodoru. Ta nowa praca, opisana w badaniu opublikowanym w czasopiśmie "Energia i środowisko naukowe", jest jednak pierwszą, która z powodzeniem przechodzi od dwutlenku węgla bezpośrednio do produktów docelowych, a mianowicie etanolu i etylenu. Naukowcy dokonali tego poprzez optymalizację każdego składnika systemu fotowoltaiczno-elektrochemicznego w celu zmniejszenia strat napięcia i tworzenie nowych materiałów, gdy istniejące nie były wystarczające.

„To ekscytujące osiągnięcie"- powiedział główny badacz, Joel Ager. „Wraz ze wzrostem poziomu CO2 w atmosferze zmienia się klimat Ziemi, więc potrzeba opracowania trwałych źródeł energii stała się coraz pilniejsza. Nasze prace pokazują, że mamy wiarygodną drogę do wytwarzania paliw bezpośrednio ze światła słonecznego". Ta droga jest jednym z głównych celów Wspólnego Centrum Fotosyntezy Sztucznej (JCAP), do którego należy Berkeley Lab, gdzie przeprowadzano badanie.

Pierwszy punkt badań JCAP dotyczył wydajnego rozdzielania wody w procesie fotosyntezy. W następnej kolejności, naukowcy zajęli się redukcją CO2, aby osiągnąć efektywność podobną do tej, jaka występuje w pierwszym procesie.

W tym badaniu naukowcy zaprojektowali kompletny system do pracy o różnych porach dnia, nie tylko na lekkim poziomie energetycznym oświetlenia jednosłonecznego, co odpowiada szczytowi jasności w godzinach wieczornych w słoneczny dzień. Zmieniano jasność źródła światła, aby wykazać, że system pozostaje skuteczny nawet przy słabych warunkach oświetleniowych.

Gdy naukowcy połączyli elektrody z silikonowymi ogniwami fotowoltaicznymi, osiągnęli efektywność konwersji słonecznej od 3 do 4 procent przy oświetleniu 0,35 do jednosłonecznego. Gdy zmienili konfigurację, skuteczność wzrosła jeszcze bardziej.

Wśród nowych komponentów opracowanych przez naukowców jest katoda nanocząsteczkowa miedziano-srebrna, która redukuje dwutlenek węgla do węglowodorów i tlenków oraz anoda z tlenku irydu, która utlenia wodę i tworzy tlen. „Podobnie jak rośliny mogą ona wytwarzać produkty docelowe w szerokim zakresie warunków i są bardzo stabilne" - powiedział Ager. Komponenty zostało tak skonstruowane, ponieważ w czasie badań ustalano, że srebro pomaga w redukcji dwutlenku węgla do tlenku węgla, a miedź redukuje go dalej do węglowodorów i alkoholi.

Ponieważ dwutlenek węgla jest stabilną cząsteczką, jego rozbijanie wiąże się zwykle z istotnym nakładem energii. "Redukcja CO2 do końcowego produktu węglowodorowego, takiego jak etanol lub etylen, może wymagać do 5 V" - powiedział autor badań Gurudayal. "Nasz system obniżył to o połowę przy zachowaniu selektywności produktów".

"Pracując tak starannie, naukowcy wykazali poziom osiągów i wydajności, o których ludzie nie sądzili, że są możliwe do osiągnięcia" - powiedziała Frances Houle, zastępca dyrektora ds. Integracji nauki i badań, JCAP. "To duży krok naprzód w opracowywaniu urządzeń służących do skutecznego ograniczania emisji CO2 i testowaniu nowych materiałów. Stanowi wyraźne ramy dla przyszłego rozwoju w pełni zintegrowanych urządzeń redukujących CO2."

(KB)