Хотя искусственные листья обещают выводить из атмосферы углекислый газ - мощный парниковый газ, у искусственных листьев есть «темная сторона, которая упускалась из виду более десяти лет». Минеш Сингх, доцент химического машиностроения Иллинойсского университета в Чикагском инженерном колледже.
Искусственные листья преобразуют углекислый газ в топливо, а воду в кислород, используя энергию солнца. Два процесса происходят отдельно и одновременно на каждой стороне фотогальванического элемента: кислород производится на «положительной» стороне элемента, а топливо производится на «отрицательной» стороне.
Сингх, который является соответствующим автором новой статьи в ACS Applied Energy Materials, говорит, что современные искусственные листья крайне неэффективны. В результате они превращают только 15% углекислого газа в топливо и выделяют 85% его вместе с газообразным кислородом обратно в атмосферу.
«Искусственные листья, которые у нас есть сегодня, на самом деле не готовы выполнить свое обещание в качестве решения для улавливания углерода, потому что они не улавливают столько углекислого газа, и фактически выделяют большую часть углекислого газа, который они воспринимайте кислород с «позитивной» стороны», - сказал Сингх.
Причина, по которой искусственные листья выделяют так много углекислого газа обратно в атмосферу, связана с тем, куда углекислый газ уходит в фотоэлектрохимическом элементе.
Когда углекислый газ попадает в элемент, он проходит через электролит элемента. В электролите растворенный углекислый газ превращается в анионы бикарбоната, которые проходят через мембрану к «положительной» стороне элемента, где вырабатывается кислород. Эта сторона клетки имеет тенденцию быть очень кислой из-за расщепления воды на газообразный кислород и протоны. Когда анионы бикарбоната взаимодействуют с кислым электролитом на анодной стороне элемента, образуется углекислый газ, который выделяется с газообразным кислородом.
Сингх отметил, что подобное явление выделения углекислого газа, происходящее в искусственном листе, можно увидеть на кухне, когда пищевая сода (раствор бикарбоната) смешивается с уксусом (раствором кислоты), чтобы выпустить шипящие пузырьки углекислого газа.
Чтобы решить эту проблему, Сингх в сотрудничестве с исследователями Калифорнийского технологического института Мэн Линем, Лихао Ханом и Ченгсян Сяном разработал систему, в которой используется биполярная мембрана, которая предотвращает попадание анионов бикарбоната на «положительную» сторону листа, в то время как нейтрализуя образовавшийся протон.
Мембрана, расположенная между двумя сторонами фотоэлектрохимического элемента, удерживает углекислый газ от кислой стороны листа, предотвращая его выход обратно в атмосферу. Искусственные листья, использующие эту специализированную мембрану, превращали от 60 до 70 % поглощаемого ими углекислого газа в топливо.
«Наше открытие представляет собой еще один шаг к тому, чтобы сделать искусственные листья реальностью за счет увеличения использования углекислого газа», - сказал Сингх.
Ранее в этом году Сингх и его коллеги опубликовали статью в ACS Sustainable Chemistry & Engineering, в которой они предложили решение еще одной проблемы с искусственными листьями: современные модели используют углекислый газ под давлением из резервуаров, а не из атмосферы.
Он предложил еще одну специализированную мембрану, которая позволила бы листьям улавливать углекислый газ прямо из атмосферы. Сингх объясняет, что эта идея вместе с выводами, изложенными в этой текущей публикации об использовании большего количества захватов углекислого газа, должна помочь сделать технологию искусственного листа полностью реализуемой.