Bladlignende enheder, der er lette nok til at flyde på vandet, kunne bruges til at generere brændstof fra solfarme beliggende på åbne vandkilder – en vej, der ikke er blevet udforsket før, ifølge forskerne fra University of Cambridge i Storbritannien, som udviklet dem. De nye enheder er lavet af tynde, fleksible substrater og perovskit-baserede lysabsorberende lag, og test viste, at de kan producere enten brint eller syngas (en blanding af brint og kulilte), mens de flyder på floden Cam.
Kunstige blade som disse er en type fotoelektrokemisk celle (PEC), der omdanner sollys til elektrisk energi eller brændstof ved at efterligne nogle aspekter af fotosyntesen, såsom at spalte vand i dets ilt og brint. Dette er forskelligt fra konventionelle solcelleceller, som omdanner lys direkte til elektricitet.
Fordi kunstige PEC-blade indeholder både lyshøst- og katalysekomponenter i én kompakt enhed, kunne de i princippet bruges til at producere brændstof fra sollys billigt og enkelt. Problemet er, at de nuværende teknikker til fremstilling af dem ikke kan skaleres op. Desuden er de ofte sammensat af skrøbelige og tunge bulkmaterialer, hvilket begrænser deres anvendelse.
I 2019 et team af forskere ledet af Erwin Reisner udviklet et kunstigt blad, der producerede syngas fra sollys, kuldioxid og vand. Denne enhed indeholdt to lysabsorbere og katalysatorer, men den inkorporerede også et tykt glassubstrat og belægninger for at beskytte mod fugt, hvilket gjorde det besværligt.
Ny letvægtsversion
For at lave den nye, lettere version måtte Reisner og kolleger overkomme flere udfordringer. Den første var at integrere lysabsorbere og katalysatorer i substrater, der er modstandsdygtige over for vandinfiltration. For at gøre dette valgte de et tyndfilmsmetaloxid, vismutvanadat (BiVO4), og fotoaktive halvledere kendt som blyhalogenidperovskiter, som kan coates på fleksible plast- og metalfolier. De dækkede derefter enhederne med mikron-tyk vandafvisende polyethylenterephthalat. Resultatet var en struktur, der virker og ligner et rigtigt blad.
"Vi placerede lysabsorberne i midten af enhederne for at beskytte dem mod vand," forklarer Reisner. "Især den fugtfølsomme perovskit skal isoleres fuldstændigt."
Katalysatorerne aflejres på begge sider af anordningen. Perovskitterne og BiVO4 høster solstråling, men i stedet for at producere elektricitet som et fotovoltaisk panel, bruger de den høstede energi til at drive en kemisk reaktion med støtte fra katalysatorerne. "Dette giver os i det væsentlige mulighed for at drive kemi på et solpanel - i vores tilfælde omdanne drivhusgassen kuldioxid med vand til at producere syngas, en vigtig industriel energibærer," fortæller Reisner Fysik verden.
Forskerne testede deres blade, der flyder på floden Cam i Cambridge og fandt ud af, at de omdanner sollys til brændstoffer lige så effektivt som naturlige planteblade. Faktisk opnåede en anordning indeholdende en platinkatalysator en aktivitet på 4,266 μmol H2 g-1 h-1.
Gårde til brændstofsyntese
”Solarfarme er blevet populære til elproduktion; vi forestiller os lignende gårde til brændstofsyntese,” siger teammedlem Virgil Andrei. "Disse kunne forsyne kystbosættelser, fjerntliggende øer, dække industrielle damme eller undgå vandfordampning fra kunstvandingskanaler."
Væskeflow styres på overflade inspireret af nåletræsblade
"Mange vedvarende energiteknologier, herunder solbrændstofteknologier, kan optage store mængder plads på landjorden, så flytning af produktion til åbent vand ville betyde, at ren energi og arealanvendelse ikke konkurrerer med hinanden," tilføjer Reisner. "I teorien kunne du rulle disse enheder sammen og placere dem næsten hvor som helst, i næsten ethvert land, hvilket også ville hjælpe med energisikkerhed."
Forskerne siger, at de nu vil arbejde på at opskalere og forbedre effektiviteten og stabiliteten af deres enheder. "Vores team studerer også nye katalysatorer for at udvide kemiområdet for kunstige blade for at give os mulighed for at lave andre produkter fra rigelige råmaterialer og ideelt set på lang sigt mange forskellige kemikalier efter behov," siger Reisner.
Nærværende undersøgelse er detaljeret i Natur.
