Инженерам из Чикагского университета удалось создать новый тип солнечных батарей, которые фактически преобразуют атмосферный диоксид углерода, или углекислый газ, в углеводородное топливо, пригодное к применению, используя при этом лишь энергию солнечного света. В новом докладе, опубликованном на днях в журнале «Science», инженер Амин Салехи-Ходжин и его коллеги описали свою систему, которая преобразует СО2 в топливо, требуя затрат, сравнимых с производством бензина.
«Вместо производства невозобновляемой энергии в ходе разрушительного однонаправленного процесса, начиная с ископаемых топливных ресурсов до парниковых газов, мы можем сегодня развернуть этот процесс вспять и начать преобразование атмосферного углерода в топливо за счет использования солнечной энергии», отметил Салехи-Ходжин в заявлении для прессы.
Для реализации своего замысла инженеры использовали фотосинтетический элемент, который не следует путать с обычным фотогальваническим элементом. Суть в том, что вместо преобразования солнечной энергии в электрическую, а затем аккумулирования этой энергии в батареях, новое устройство преобразует атмосферный углекислый газ непосредственно в топливо. В сущности, оно выполняет ту же работу, которую в природе делают растения. Однако, вместо преобразования топлива в сахар, эти «искусственные листья» производят синтетический газ или «сингаз», который представляет собой смесь водорода и монооксида углерода. Этот газ, произведенный за счет солнечной энергии, может быть подвергнут прямому сжиганию, или преобразован в другие формы топлива, например, дизельное.
Для увеличения эффективности процесса, исследователи применили группу нано-структурных химических соединений, известных как дихалькогениды металлов переходного ряда. Эти соединения играют роль активных катализаторов, расщепляющих молекулярные связи углекислого газа. Эксперименты показали, что новый катализатор в 1000 раз более эффективен по сравнению с обычными катализаторами, и к тому же он почти в 20 раз дешевле.
В будущем солнечные фермы смогут использовать тысячи подобных «искусственных листьев», которые, вдобавок к производству топлива, будут также удалять существенное количество избыточного углекислого газа из атмосферы. Исследователи заявляют, что их система может также работать в миниатюрном варианте, и даже оказаться применимой на Марсе, где атмосфера представлена в основном углекислым газом.
Чтобы достичь своей цели, ученые применяли в работе дихалькогениды переходных металлов. В результате им удалось создать солнечную батарею, состоящую из двух кремниевых фотогальванических элементов. При освещении в 100 Вт на квадратный метр внутри системы начиналась химическая реакция, в результате которой водород и окись углерода могут быть добыты с катода солнечной батареи. Эта реакция является очень дешевым и простым способом добычи веществ для создания дизельного или другого углеводородного топлива.
По словам команды разработчиков, солнечная батарея может быть адаптирована к широкомасштабному использованию на солнечных фермах. Кроме того, однажды новая технология может обеспечить электроэнергией экспедиции на Марс, если там удастся найти небольшое количество воды.
Солнечная батарея американских учёных представляет собой не фотоэлектрическое, а фотосинтетическое устройство. Как известно, за миллионы лет эволюции растения и цианобактерии научились захватывать фотоны солнечного света и использовать их энергию для сборки молекул питательных веществ. С химической точки зрения этот процесс очень эффективен, но при этом растения используют лишь 1-2% энергии солнечного излучения. В последние годы учёные неоднократно пытались «улучшить» КПД растений, меняя их геном, и создать более эффективный искусственный аналог фотосинтеза.
В Чикаго этот процесс довели до логического конца, создав такой катализатор, который использует энергию света для превращения молекул СО2 и воды в угарный газ (СО) и водород, из которых можно изготовлять метанол и другие виды горючих спиртов.
Сердцем их «искусственного листа», как называют эту установку учёные, является емкость, в которой содержится катализатор – диселенид вольфрама — в виде небольших чешуек, и особая ионная жидкость – 1-этил-3-метилимидазол тетрафторборат – способствующая разложению молекул СО2 на угарный газ и кислород, и использующая часть высвобожденной энергии для разложения воды на водород и кислород.
Энергия для этой системы вырабатывается небольшим набором солнечных батарей, которые преобразуют свет в движение электронов и заставляют катализатор разделять СО2 на О и СО. По словам учёных, их «лист» начинает работать уже при обычном солнечном освещении, и не требует концентрации света, как многие другие фоторасщепители воды и углекислоты.
Учёные добились того, что их катализатор использует свыше 24% энергии света — гораздо выше, чем существующие аналоги. Такой показатель является важной вехой — он заметно выше отметки в 17% КПД, которую многие эксперты считают порогом коммерческой жизнеспособности для производства углеводородов «из воздуха», а не их извлечения из недр планеты. Благодаря этому общее КПД системы превышает 4,5%, что почти в два раза больше, чем у других «искусственных листьев».
Изобретатели считают, что подобные установки могут быть использованы для получения топлива не только на Земле, но и, к примеру, на Марсе, чья атмосфера состоит на 99% из углекислого газа. Вода на Марсе есть, и силы местного солнечного света, по их оценкам, хватит для запуска данной реакции и обеспечения первых марсианских колоний водой, кислородом, светом и теплом.
С другой стороны, не стоит ждать, что углеводороды резко подешевеют прямо завтра — главной проблемой на пути скорейшего «вторжения» этой технологии в нашу жизнь пока является то, что солнечные батареи, погруженные в раствор с катализатором, деградируют через 4-5 часов его работы. Учёным еще предстоит создать такие фотоэлементы, которые бы не разрушались под действием ионной жидкости и протекающих в ней химических процессов.
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
