Συσκευές που μοιάζουν με φύλλα που είναι αρκετά ελαφριές για να επιπλέουν στο νερό θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή καυσίμου από ηλιακά αγροκτήματα που βρίσκονται σε ανοιχτές πηγές νερού - μια λεωφόρος που δεν έχει εξερευνηθεί πριν, σύμφωνα με τους ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ στο Ηνωμένο Βασίλειο. τα ανέπτυξε. Οι νέες συσκευές είναι κατασκευασμένες από λεπτά, εύκαμπτα υποστρώματα και στρώματα απορρόφησης φωτός με βάση τον περοβσκίτη και οι δοκιμές έδειξαν ότι μπορούν να παράγουν είτε υδρογόνο είτε αέριο σύνθεσης (ένα μείγμα υδρογόνου και μονοξειδίου του άνθρακα) ενώ επιπλέουν στο River Cam.
Τα τεχνητά φύλλα σαν αυτά είναι ένας τύπος φωτοηλεκτροχημικών κυψελών (PEC) που μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια ή καύσιμο μιμούμενοι ορισμένες πτυχές της φωτοσύνθεσης, όπως η διάσπαση του νερού στο οξυγόνο και το υδρογόνο που το αποτελούν. Αυτό είναι διαφορετικό από τα συμβατικά φωτοβολταϊκά στοιχεία, τα οποία μετατρέπουν το φως απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια.
Επειδή τα τεχνητά φύλλα PEC περιέχουν τόσο ελαφριά στοιχεία συγκομιδής όσο και συστατικά κατάλυσης σε μια συμπαγή συσκευή, θα μπορούσαν κατ' αρχήν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή καυσίμου από το φως του ήλιου φθηνά και απλά. Το πρόβλημα είναι ότι οι τρέχουσες τεχνικές για την κατασκευή τους δεν μπορούν να κλιμακωθούν. Επιπλέον, συχνά αποτελούνται από εύθραυστα και βαριά χύδην υλικά, γεγονός που περιορίζει τη χρήση τους.
Το 2019 μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Έρβιν Ράισνερ ανέπτυξε ένα τεχνητό φύλλο που παρήγαγε αέριο σύνθεσης από το ηλιακό φως, το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό. Αυτή η συσκευή περιείχε δύο απορροφητές φωτός και καταλύτες, αλλά ενσωμάτωσε επίσης ένα χοντρό γυάλινο υπόστρωμα και επικαλύψεις για προστασία από την υγρασία, γεγονός που την έκανε δυσκίνητη.
Νέα, ελαφριά έκδοση
Για να φτιάξουν τη νέα, ελαφρύτερη έκδοση, ο Reisner και οι συνεργάτες του έπρεπε να ξεπεράσουν αρκετές προκλήσεις. Το πρώτο ήταν να ενσωματωθούν απορροφητές φωτός και καταλύτες σε υποστρώματα που είναι ανθεκτικά στη διείσδυση νερού. Για να γίνει αυτό, επέλεξαν ένα οξείδιο μετάλλου λεπτής μεμβράνης, βαναδικό βισμούθιο (BiVO4), και φωτοενεργούς ημιαγωγούς γνωστούς ως περοβσκίτες αλογονιδίου μολύβδου, οι οποίοι μπορούν να επικαλυφθούν σε εύκαμπτα πλαστικά και μεταλλικά φύλλα. Στη συνέχεια κάλυψαν τις συσκευές με υδατοαπωθητικό τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο πάχους μικρού. Το αποτέλεσμα ήταν μια δομή που λειτουργεί και μοιάζει με πραγματικό φύλλο.
«Τοποθετήσαμε τους απορροφητές φωτός στο κέντρο των συσκευών, για να τις προστατεύσουμε από το νερό», εξηγεί ο Reisner. «Ο ευαίσθητος στην υγρασία περοβσκίτης ιδιαίτερα πρέπει να απομονωθεί πλήρως».
Οι καταλύτες εναποτίθενται και στις δύο πλευρές της συσκευής. Οι περοβσκίτες και το BiVO4 συλλέγουν την ηλιακή ακτινοβολία, αλλά αντί να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια όπως ένα φωτοβολταϊκό πάνελ, χρησιμοποιούν την ενέργεια που συλλέγουν για να τροφοδοτήσουν μια χημική αντίδραση με την υποστήριξη των καταλυτών. "Αυτό μας επιτρέπει να οδηγούμε ουσιαστικά τη χημεία σε ένα ηλιακό πάνελ - στην περίπτωσή μας, μετατρέποντας το διοξείδιο του άνθρακα του θερμοκηπίου με νερό για να παράγουμε αέριο σύνθεσης, έναν σημαντικό βιομηχανικό φορέα ενέργειας", λέει ο Reisner. Κόσμος Φυσικής.
Οι ερευνητές δοκίμασαν τα φύλλα τους που επιπλέουν στον ποταμό Cam στο Cambridge και διαπίστωσαν ότι μετατρέπουν το ηλιακό φως σε καύσιμα τόσο αποτελεσματικά όσο τα φυσικά φύλλα φυτών. Πράγματι, μια συσκευή που περιέχει καταλύτη πλατίνας πέτυχε δραστηριότητα 4,266 μmol H2 g-1 h-1.
Φάρμες για τη σύνθεση καυσίμων
«Τα ηλιακά πάρκα έχουν γίνει δημοφιλή για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. οραματιζόμαστε παρόμοιες φάρμες για τη σύνθεση καυσίμων», λέει το μέλος της ομάδας Βιργίλιος Αντρέι. «Αυτά θα μπορούσαν να τροφοδοτούν παράκτιους οικισμούς, απομακρυσμένα νησιά, να καλύπτουν βιομηχανικές λίμνες ή να αποφεύγουν την εξάτμιση του νερού από τα κανάλια άρδευσης».
Η ροή του υγρού κατευθύνεται σε επιφάνεια εμπνευσμένη από φύλλα κωνοφόρων
«Πολλές τεχνολογίες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων των τεχνολογιών ηλιακών καυσίμων, μπορούν να καταλαμβάνουν μεγάλες ποσότητες χώρου στη στεριά, επομένως η μεταφορά της παραγωγής σε ανοιχτά νερά θα σήμαινε ότι η καθαρή ενέργεια και η χρήση γης δεν ανταγωνίζονται η μία την άλλη», προσθέτει ο Reisner. «Θεωρητικά, θα μπορούσατε να τυλίγετε αυτές τις συσκευές και να τις τοποθετείτε σχεδόν οπουδήποτε, σχεδόν σε οποιαδήποτε χώρα, κάτι που θα βοηθούσε επίσης στην ενεργειακή ασφάλεια».
Οι ερευνητές λένε ότι τώρα θα εργαστούν για την κλιμάκωση και τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας και της σταθερότητας των συσκευών τους. «Η ομάδα μας μελετά επίσης νέους καταλύτες για να διευρύνει το χημικό πεδίο των τεχνητών φύλλων για να μας επιτρέψει να παράγουμε άλλα προϊόντα από άφθονες πρώτες ύλες και ιδανικά, μακροπρόθεσμα, από πολλές διαφορετικές χημικές ουσίες κατόπιν ζήτησης», λέει ο Reisner.
Η παρούσα μελέτη παρουσιάζεται αναλυτικά στο Φύση.
