Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) использовали силу фотосинтеза для преобразования углекислого газа в топливо и спирты с эффективностью, намного большей, чем у растений. Это достижение знаменует собой важную веху в усилиях по переходу к устойчивым источникам топлива.
Многие системы успешно восстанавливают углекислый газ до химических и топливных прекурсоров, таких как монооксид углерода или смесь монооксида углерода и водорода, известную как синтетический газ. Эта новая работа, описанная в исследовании, опубликованном в журнале Energy and Environmental Science, является первой, успешно демонстрирующей подход к переходу от двуокиси углерода непосредственно к целевым продуктам, а именно к этанолу и этилену, с эффективностью преобразования энергии, конкурирующей с естественными аналогами.
Исследователи сделали это, оптимизировав каждый компонент фотогальванической электрохимической системы, чтобы уменьшить потери напряжения, и создав новые материалы, когда существующих было недостаточно.
«Это захватывающее развитие событий», - сказал главный исследователь исследования Джоэл Агер, ученый из лаборатории Беркли, работающий по совместительству в отделах материаловедения и химических наук. «Поскольку повышение уровня CO2 в атмосфере меняет климат Земли, необходимость разработки устойчивых источников энергии становится все более актуальной. Наша работа здесь показывает, что у нас есть реальный путь к получению топлива непосредственно из солнечного света..
Путь от солнца к топливу является одной из ключевых целей Объединенного центра искусственного фотосинтеза (JCAP), центра энергетических инноваций Министерства энергетики, созданного в 2010 году для продвижения исследований солнечного топлива. Исследование проводилось в кампусе лаборатории JCAP в Беркли.
Первоначальным направлением исследований JCAP было решение проблемы эффективного расщепления воды в процессе фотосинтеза. В значительной степени справившись с этой задачей, используя несколько типов устройств, ученые JCAP, занимающиеся сокращением выбросов углекислого газа с помощью солнечной энергии, начали нацеливаться на достижение эффективности, аналогичной той, которая была продемонстрирована при расщеплении воды, которое многие считают следующей большой проблемой в области искусственного фотосинтеза.
Другая исследовательская группа в лаборатории Беркли решает эту проблему, сосредоточив внимание на конкретном компоненте фотогальванической электрохимической системы. В опубликованном сегодня исследовании они описывают новый катализатор, который может обеспечить преобразование двуокиси углерода в полиуглерод с использованием рекордно низких затрат энергии.
Не только в полдень
Для этого исследования JCAP исследователи разработали полную систему для работы в разное время суток, а не только при уровне световой энергии, равном освещенности в 1 солнце, что эквивалентно пиковой яркости в полдень в солнечный день. день. Они меняли яркость источника света, чтобы показать, что система остается эффективной даже в условиях низкой освещенности.
Когда исследователи соединили электроды с кремниевыми фотоэлектрическими элементами, они достигли эффективности преобразования солнечной энергии от 3 до 4 процентов при освещении от 0,35 до 1 солнечного света. Изменение конфигурации на высокопроизводительный тандемный солнечный элемент, соединенный в тандеме, привело к эффективности преобразования в углеводороды и оксигенаты, превышающей 5 процентов при освещении 1 солнцем..
«Мы немного потанцевали в лаборатории, когда достигли 5 процентов», - сказал Агер, который также является адъюнкт-профессором кафедры материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли.
Среди новых компонентов, разработанных исследователями, - нанокоралловый катод из меди и серебра, который восстанавливает углекислый газ до углеводородов и оксигенатов, и анод из нанотрубок из оксида иридия, который окисляет воду и создает кислород.
«Приятная особенность нанокораллов заключается в том, что, подобно растениям, они могут производить целевые продукты в широком диапазоне условий и очень стабильны», - сказал Агер.
Исследователи охарактеризовали материалы в Национальном центре электронной микроскопии в Молекулярном литейном цехе Министерства энергетики США в лаборатории Беркли. Результаты помогли им понять, как металлы функционируют в биметаллическом катоде. В частности, они узнали, что серебро способствует восстановлению двуокиси углерода до монооксида углерода, в то время как медь поглощает оттуда монооксид углерода, превращая его в углеводороды и спирты..
В поисках лучшего, низкоэнергетического расставания
Поскольку двуокись углерода является очень стабильной молекулой, ее расщепление обычно требует значительных затрат энергии.
«Восстановление CO2 до конечного углеводородного продукта, такого как этанол или этилен, может потребовать до 5 вольт от начала до конца», - сказал ведущий автор исследования Гурудаял, научный сотрудник Беркли. лаборатория «Наша система сократила это вдвое, сохранив при этом селективность продуктов».
Примечательно, что электроды хорошо работали в воде с нейтральным pH.
«Исследовательские группы, работающие над анодами, в основном делают это, используя щелочные условия, поскольку для анодов обычно требуется среда с высоким pH, что не идеально для растворимости CO2», - сказал Гурудаял.. «Очень сложно найти анод, работающий в нейтральных условиях».
Исследователи модифицировали анод, вырастив нанотрубки из оксида иридия на поверхности оксида цинка, чтобы создать более однородную площадь поверхности для лучшей поддержки химических реакций.
«Так тщательно прорабатывая каждый шаг, эти исследователи продемонстрировали уровень производительности и эффективности, который люди не считали возможным на данном этапе», - сказала химик из лаборатории Беркли Фрэнсис Хоул, заместитель директора JCAP по науке и интеграции исследований., который не участвовал в исследовании. «Это большой шаг вперед в разработке устройств для эффективного сокращения CO2 и тестирования новых материалов, и он обеспечивает четкую основу для будущего продвижения полностью интегрированных CO на солнечной энергии. 2-редукционные устройства.