Ученый Хайнц Фрей потратил десятилетия, работая над созданием искусственной версии одного из самых элегантных и эффективных механизмов природы: листа.
Фрай и многие другие исследователи по всему миру стремятся использовать фотосинтез - химическую реакцию под действием солнечного света, которую зеленые растения и водоросли используют для преобразования углекислого газа (CO2) в клеточное топливо - для производства видов топлива, которые могут питать наши дома и автомобили. Если бы необходимые технологии могли быть усовершенствованы по сравнению с теоретическими моделями и прототипами лабораторного масштаба, эта лунная идея, известная как искусственный фотосинтез, имеет потенциал для создания крупных источников полностью возобновляемой энергии с использованием избытка CO2в нашей атмосфере.
С их последним достижением Фрей и его команда в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) приближаются к этой цели. Ученые разработали искусственную систему фотосинтеза, состоящую из наноразмерных трубок, которая способна выполнять все ключевые этапы реакции выработки топлива.
Их последняя статья, опубликованная в журнале Advanced Functional Materials, демонстрирует, что их конструкция обеспечивает быстрый поток протонов из внутреннего пространства трубки, где они образуются в результате расщепления молекул воды, наружу, где они объединяются. с CO2 и электронами для формирования топлива. В настоящее время этим топливом является окись углерода, но команда работает над созданием метанола. Быстрый поток протонов, необходимый для эффективного использования энергии солнечного света для образования топлива, был занозой в боку систем искусственного фотосинтеза прошлого.
Теперь, когда команда продемонстрировала, как пробирки могут выполнять все задачи фотосинтеза по отдельности, они готовы приступить к тестированию всей системы. Индивидуальная единица системы будет представлять собой небольшие квадратные «солнечные топливные плитки» (несколько дюймов со стороной), содержащие миллиарды наноразмерных трубок, зажатых между полом и потолком из тонкого, слегка гибкого силиката, с отверстиями для трубок, протыкающими эти покрытия. Фрей надеется, что плитки его группы могут стать первыми решениями для решения основных проблем, с которыми до сих пор сталкиваются технологии этого типа.
«Есть две проблемы, которые еще не решены», - сказал Фрей, старший научный сотрудник отдела биологических наук лаборатории Беркли. «Одним из них является масштабируемость. Если мы хотим сохранить ископаемое топливо в недрах земли, мы должны иметь возможность производить энергию в тераваттах - огромное количество топлива. И вам нужно производить жидкое углеводородное топливо, чтобы мы могли на самом деле использовать его с существующей инфраструктурой и технологиями стоимостью в триллионы долларов».
Он отметил, что как только будет создана модель, отвечающая этим требованиям, можно будет быстро построить ферму по производству солнечного топлива из множества отдельных плиток.«Нам, как фундаментальным ученым, нужно создать плитку, которая работает, и решить все вопросы по ее характеристикам. А инженеры в промышленности знают, как соединять эти плитки. Когда мы вычислим квадратные дюймы, они смогут квадратных миль."
Как это работает
Каждая крошечная (около 0,5 микрометра в ширину) полая трубка внутри плитки состоит из трех слоев: внутреннего слоя оксида кобальта, среднего слоя кремнезема и внешнего слоя диоксида титана. Во внутреннем слое трубки энергия солнечного света, поступающая на оксид кобальта, расщепляет воду (в виде влажного воздуха, проходящего внутри каждой трубки), образуя свободные протоны и кислород..
"Эти протоны легко проникают во внешний слой, где они объединяются с углекислым газом с образованием монооксида углерода сейчас, а метанол на следующем этапе - в процессе, который обеспечивается катализатором, поддерживаемым слоем диоксида титана", сказал Вон Джун Джо, научный сотрудник с докторской степенью и первый автор статьи.«Топливо скапливается в пространстве между трубками, и его можно легко слить для сбора».
Важно отметить, что средний слой стенки трубы удерживает кислород, образующийся в результате окисления воды внутри трубы, и блокирует проникновение внутрь углекислого газа и образующихся молекул топлива снаружи, тем самым разделяя две очень несовместимые зоны химических реакций.
Этот дизайн имитирует настоящие живые фотосинтезирующие клетки, которые разделяют реакции окисления и восстановления с помощью компартментов органической мембраны внутри хлоропласта. Точно так же, в соответствии с оригинальным планом природы, мембранные трубки команды позволяют фотосинтетической реакции происходить на очень коротком расстоянии, сводя к минимуму потери энергии, возникающие при перемещении ионов, и предотвращая непреднамеренные химические реакции, которые также снижают эффективность системы.
«Эта работа является частью обязательства Berkeley Lab по содействию решениям неотложных энергетических проблем, связанных с изменением климата», - сказал Фрай.«Междисциплинарный характер задачи требует обширного опыта и крупных объектов, уникальных для лаборатории Беркли. В частности, возможности нанофабрикации и визуализации Molecular Foundry необходимы для синтеза и определения характеристик ультратонких слоев и создания массивов размером с квадратный дюйм. полые нанотрубки."