A levélszerű eszközök, amelyek elég könnyűek ahhoz, hogy lebegjenek a vízen, tüzelőanyag előállítására használhatók nyílt vízforrásokon elhelyezkedő napenergia-farmokból – ez az út, amelyet korábban még nem kutattak fel a Cambridge-i Egyetem kutatói szerint. fejlesztette őket. Az új eszközök vékony, rugalmas szubsztrátumokból és perovszkit alapú fényelnyelő rétegekből készülnek, és a tesztek kimutatták, hogy a Cam folyón lebegve hidrogént vagy szintézisgázt (hidrogén és szén-monoxid keverékét) képesek előállítani.
Az ilyen mesterséges levelek a fotoelektrokémiai cellák (PEC) egy fajtája, amely a napfényt elektromos energiává vagy üzemanyaggá alakítja a fotoszintézis egyes aspektusainak utánzásával, például a vizet oxigénre és hidrogénre osztva. Ez eltér a hagyományos fotovoltaikus celláktól, amelyek a fényt közvetlenül elektromos árammá alakítják.
Mivel a PEC mesterséges levelek egy kompakt készülékben tartalmazzák a könnyű betakarítás és a katalizátor komponenseket is, elvileg olcsón és egyszerűen lehetne napfényből üzemanyagot előállítani. A probléma az, hogy a jelenlegi gyártási technikákat nem lehet bővíteni. Ráadásul gyakran törékeny és nehéz ömlesztett anyagokból állnak, ami korlátozza felhasználásukat.
2019-ben az általa vezetett kutatócsoport Erwin Reisner kifejlesztett egy mesterséges levelet, amely szintézisgázt termelt a napfényből, szén-dioxidból és vízből. Ez az eszköz két fényelnyelőt és katalizátort tartalmazott, de vastag üveghordozót és nedvesség elleni védőbevonatokat is tartalmazott, ami nehézkessé tette.
Új, könnyű változat
Az új, könnyebb verzió elkészítéséhez Reisnernek és kollégáinak több kihívást kellett leküzdeniük. Az első az volt, hogy fényelnyelőket és katalizátorokat integráltak olyan hordozókba, amelyek ellenállnak a víz beszivárgásának. Ehhez egy vékonyrétegű fémoxidot, a bizmut-vanadátot (BiVO) választottak.4), valamint az ólom-halogenid-perovszkit néven ismert fotoaktív félvezetőket, amelyek rugalmas műanyag- és fémfóliákra vonhatók. Ezután mikron vastagságú vízlepergető polietilén-tereftaláttal vonták be az eszközöket. Az eredmény egy olyan szerkezet lett, amely úgy néz ki, mint egy igazi levél.
„A fényelnyelőket az eszközök közepére helyeztük, hogy megvédjük őket a víztől” – magyarázza Reisner. "Különösen a nedvességre érzékeny perovszkitot kell teljesen elszigetelni."
A katalizátorokat a készülék mindkét oldalán lerakják. A perovszkitek és a BiVO4 begyűjtik a napsugárzást, de ahelyett, hogy egy fotovoltaikus panelhez hasonló villamos energiát termelnének, a legyűjtött energiát a katalizátorok támogatásával kémiai reakció végrehajtására használják fel. „Ez lehetővé teszi számunkra, hogy lényegében a kémiát egy napelemen hajtsuk meg – esetünkben az üvegházhatású gáz szén-dioxiddal történő átalakítását vízzel szintézisgáz előállítására, amely fontos ipari energiahordozó” – mondja Reisner. Fizika Világa.
A kutatók a Cam-folyón lebegő leveleiket tesztelték Cambridge-ben, és azt találták, hogy ugyanolyan hatékonyan alakítják át a napfényt tüzelőanyaggá, mint a természetes növények levelei. Valójában egy platinakatalizátort tartalmazó eszköz 4,266 aktivitást ért el μmol H2 g-1 h-1.
Üzemanyagszintézisre szolgáló gazdaságok
„A napelemes farmok népszerűvé váltak az áramtermelésre; hasonló farmokat képzelünk el az üzemanyagszintézishez” – mondja a csapat tagja Virgil Andrei. „Ezek elláthatják a tengerparti településeket, távoli szigeteket, beboríthatják az ipari tavakat, vagy elkerülhetik az öntözőcsatornákból a víz elpárolgását.”
A folyadékáramlást a tűlevelűek által inspirált felületen irányítják
„Számos megújuló energiatechnológia, köztük a napenergia-technológiák is nagy mennyiségű helyet foglalhatnak el a szárazföldön, így a termelés nyílt vízre költözése azt jelentené, hogy a tiszta energia és a földhasználat nem versenyez egymással” – teszi hozzá Reisner. "Elméletileg ezeket az eszközöket feltekerheti és szinte bárhová, szinte bármely országban elhelyezheti, ami szintén hozzájárulna az energiabiztonsághoz."
A kutatók azt mondják, hogy most azon fognak dolgozni, hogy bővítsék és javítsák eszközeik hatékonyságát és stabilitását. „Csapatunk új katalizátorokat is tanulmányoz, hogy kiszélesítsék a mesterséges levelek kémiai hatókörét, hogy lehetővé tegyük számunkra, hogy bőséges alapanyagokból és ideális esetben hosszú távon sokféle vegyszerből állítsunk elő más termékeket” – mondja Reisner.
Jelen tanulmány részletesen a Természet.
