Исследователи сделали ещё один шаг к использованию солнечной энергии для преобразования углекислого газа в жидкое топливо и другие ценные химические вещества.
В недавней публикации в журнале Nature Catalysis учёные представили автономную систему производства углерод-углеродных (C2) соединений, которая сочетает каталитическую способность меди с перовскитом — материалом, используемым в фотоэлектрических солнечных панелях.
Это достижение основано на более чем 20 годах исследований и приближает научное сообщество к воспроизведению продуктивности зелёного листа в природе.
Работа является частью более масштабной инициативы — альянса Liquid Sunlight Alliance (LiSA), который представляет собой центр инноваций в области получения топлива из солнечной энергии, финансируемый Министерством энергетики США.
«Природой мы вдохновлялись», — говорит Пейдон Ян, старший научный сотрудник отдела материаловедения Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики и профессор химии и материаловедения в Калифорнийском университете в Беркли, участвующий в опубликованной работе.
«Сначала нам пришлось поработать над отдельными компонентами, но когда мы собрали всё вместе и поняли, что это удалось, это было очень волнующим моментом».
Чтобы создать систему, имитирующую фотосинтез, Ян и его команда следовали естественным процессам, происходящим в листе растения. Каждый отдельный компонент фотосинтезирующих элементов листа необходимо было воспроизвести и усовершенствовать. Используя результаты многолетних исследований, учёные применили перовскитовые фотопоглотители на основе галогенида свинца, чтобы имитировать поглощающее свет хлорофилл. А вдохновлённые ферментами, которые регулируют фотосинтез в природе, они разработали электрокатализаторы из меди, напоминающие крошечные цветы.
Предыдущие эксперименты успешно воспроизводили фотосинтез с использованием биологических материалов, но в этой работе был задействован неорганический материал — медь. Хотя селективность меди ниже, чем у биологических альтернатив, её использование представляет собой более долговечный, стабильный и долговечный вариант для дизайна искусственной листовой системы.
Работа, проведённая исследователями в рамках проекта LiSA, позволила разработать катодные и анодные компоненты нового устройства. Инструменты молекулярной литейной Berkeley Lab позволили команде Яна интегрировать устройство с металлическими контактами. Во время экспериментов в лаборатории Яна для проверки селективности нового устройства использовался симулятор солнечного света, имитирующий постоянно яркое солнце.
Благодаря предыдущим инновациям различных исследовательских групп в камере фотоанода стала возможна органическая окислительная реакция, а в камере фотокатода были получены продукты C2. Этот прорыв позволил создать реалистичную архитектуру искусственного листа в устройстве размером примерно с почтовую марку — оно преобразует CO2 в молекулу C2, используя только солнечный свет.
Химические вещества C2, полученные с помощью этого устройства, являются исходными ингредиентами для многих отраслей промышленности, производящих ценные продукты в нашей повседневной жизни — от пластиковых полимеров до топлива для крупных транспортных средств, которые ещё не могут работать от аккумулятора, например, для самолётов. Опираясь на этот фундаментальный исследовательский рубеж, Ян теперь нацелен на повышение эффективности системы и увеличение размера искусственного листа, чтобы начать повышать масштабируемость решения.
Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США.