Kelluvat keinotekoiset lehdet voivat tuottaa aurinkoenergialla tuotettua polttoainetta

Lehtimäisiä laitteita, jotka ovat riittävän kevyitä kelluakseen vedessä, voitaisiin käyttää polttoaineen tuottamiseen avoimilla vesilähteillä sijaitsevilta aurinkoviljelmiltä – tietä, jota ei ole aiemmin tutkittu, arvioivat Cambridgen yliopiston tutkijat. kehittänyt niitä. Uudet laitteet on valmistettu ohuista, taipuisista substraateista ja perovskiittipohjaisista valoa absorboivista kerroksista, ja testit osoittivat, että ne voivat tuottaa joko vetyä tai synteesikaasua (vedyn ja hiilimonoksidin seosta) kelluessaan Cam-joella.

Tämänkaltaiset keinolehdet ovat eräänlainen valosähkökemiallinen kenno (PEC), joka muuttaa auringonvalon sähköenergiaksi tai polttoaineeksi matkimalla joitain fotosynteesin näkökohtia, kuten jakamalla vettä sen hapeksi ja vedyksi. Tämä eroaa tavanomaisista aurinkokennoista, jotka muuttavat valon suoraan sähköksi.

Koska PEC-keinolehdet sisältävät sekä kevyitä sadonkorjuu- että katalyysikomponentteja yhdessä kompaktissa laitteessa, niistä voitaisiin periaatteessa tuottaa polttoainetta auringonvalosta edullisesti ja yksinkertaisesti. Ongelmana on, että nykyisiä niiden valmistustekniikoita ei voida laajentaa. Lisäksi ne koostuvat usein herkistä ja raskaista bulkkimateriaaleista, mikä rajoittaa niiden käyttöä.

Vuonna 2019 tutkijaryhmä johti Erwin Reisner kehitti keinotekoisen lehden, joka tuotti synteesikaasua auringonvalosta, hiilidioksidista ja vedestä. Tämä laite sisälsi kaksi valon absorboijaa ja katalyyttiä, mutta se sisälsi myös paksun lasisubstraatin ja kosteudelta suojaavia pinnoitteita, mikä teki siitä hankalan.

Uusi, kevyt versio

Uuden, kevyemmän version tekemiseksi Reisner ja kollegat joutuivat voittamaan useita haasteita. Ensimmäinen oli integroida valon absorboijat ja katalysaattorit substraatteihin, jotka kestävät veden tunkeutumista. Tätä varten he valitsivat ohutkalvometallioksidin, vismuttivanadaatin (BiVO₄) ja fotoaktiiviset puolijohteet, jotka tunnetaan lyijyhalogenidiperovskiiteina ja jotka voidaan päällystää taipuisille muovi- ja metallikalvoille. Sitten he peittivät laitteet mikronin paksuisella vettä hylkivällä polyeteenitereftalaatilla. Tuloksena oli rakenne, joka toimii ja näyttää todelliselta lehdeltä.

"Asetimme valonvaimentimet laitteiden keskelle suojaamaan niitä vedeltä", Reisner selittää. "Erityisesti kosteudelle herkkä perovskiitti on eristettävä kokonaan."

Katalyytit kerrostetaan laitteen molemmille puolille. Perovskiitit ja BiVO₄ keräävät auringon säteilyä, mutta sen sijaan, että ne tuottaisivat sähköä kuten aurinkopaneelia, ne käyttävät kerättyä energiaa kemialliseen reaktioon katalyyttien tuella. "Tämän avulla voimme käytännössä ajaa kemiaa aurinkopaneelilla – meidän tapauksessamme muuntaa kasvihuonekaasun hiilidioksidia vedellä synteesikaasun tuottamiseksi, joka on tärkeä teollinen energian kantaja", Reisner kertoo. Fysiikan maailma.

Tutkijat testasivat Cam-joella kelluvia lehtiään Cambridgessa ja havaitsivat, että ne muuttavat auringonvalon polttoaineiksi yhtä tehokkaasti kuin luonnolliset kasvien lehdet. Itse asiassa platinakatalyyttiä sisältävä laite saavutti aktiivisuuden 4,266 XNUMX μmol H₂ g^-1 h^-1.

Polttoainesynteesiä harjoittavat maatilat

”Aurinkovoimaloista on tullut suosittuja sähköntuotannossa; kuvittelemme samanlaisia ​​tiloja polttoaineen synteesiä varten”, tiimin jäsen sanoo Virgil Andrei. "Nämä voisivat toimittaa rannikkoasutuksia, syrjäisiä saaria, peittää teollisia lampia tai estää veden haihtumisen kastelukanavista."

"Monet uusiutuvan energian teknologiat, mukaan lukien aurinkopolttoaineteknologiat, voivat viedä suuria määriä maatilaa, joten tuotannon siirtäminen avoveteen merkitsisi sitä, että puhdas energia ja maankäyttö eivät kilpaile keskenään", Reisner lisää. "Teoriassa nämä laitteet voisi kääriä ja laittaa ne melkein minne tahansa, melkein mihin tahansa maahan, mikä auttaisi myös energiavarmuutta."

Tutkijat sanovat nyt työskentelevänsä laajentaakseen ja parantaakseen laitteidensa tehokkuutta ja vakautta. "Tiimimme tutkii myös uusia katalyyttejä laajentaaksemme keinotekoisten lehtien kemiallista valikoimaa, jotta voimme valmistaa muita tuotteita runsaista raaka-aineista ja ihannetapauksessa pitkällä aikavälillä monia erilaisia ​​kemikaaleja tarpeen mukaan", Reisner sanoo.

Tämä tutkimus on kuvattu yksityiskohtaisesti luonto.