Bladlignende enheter som er lette nok til å flyte på vann, kan brukes til å generere drivstoff fra solfarmer som ligger på åpne vannkilder – en vei som ikke har blitt utforsket før, ifølge forskerne fra University of Cambridge i Storbritannia. utviklet dem. De nye enhetene er laget av tynne, fleksible substrater og perovskittbaserte lysabsorberende lag, og tester viste at de kan produsere enten hydrogen eller syngass (en blanding av hydrogen og karbonmonoksid) mens de flyter på elven Cam.
Kunstige blader som disse er en type fotoelektrokjemisk celle (PEC) som transformerer sollys til elektrisk energi eller drivstoff ved å etterligne noen aspekter ved fotosyntesen, for eksempel å dele vann inn i oksygen og hydrogen. Dette er forskjellig fra konvensjonelle fotovoltaiske celler, som omdanner lys direkte til elektrisitet.
Fordi PEC kunstige blader inneholder både lett høsting og katalyse komponenter i en kompakt enhet, kan de i prinsippet brukes til å produsere drivstoff fra sollys billig og enkelt. Problemet er at dagens teknikker for å lage dem ikke kan skaleres opp. Dessuten er de ofte sammensatt av skjøre og tunge bulkmaterialer, noe som begrenser bruken.
I 2019 et team av forskere ledet av Erwin Reisner utviklet et kunstig blad som produserte syngass fra sollys, karbondioksid og vann. Denne enheten inneholdt to lysabsorbere og katalysatorer, men den inneholdt også et tykt glasssubstrat og belegg for å beskytte mot fuktighet, noe som gjorde den tungvint.
Ny, lett versjon
For å lage den nye, lettere versjonen måtte Reisner og kollegene overvinne flere utfordringer. Den første var å integrere lysabsorbenter og katalysatorer i underlag som er motstandsdyktige mot vanninfiltrasjon. For å gjøre dette valgte de et tynnfilmsmetalloksid, vismutvanadat (BiVO4), og fotoaktive halvledere kjent som blyhalogenidperovskitter, som kan belegges på fleksible plast- og metallfolier. De dekket deretter enhetene med mikrontykke vannavstøtende polyetylentereftalat. Resultatet ble en struktur som fungerer og ser ut som et ekte blad.
"Vi plasserte lysabsorbentene i midten av enhetene for å skjerme dem mot vann," forklarer Reisner. "Spesielt den fuktighetsfølsomme perovskitten må isoleres fullstendig."
Katalysatorene er avsatt på begge sider av enheten. Perovskittene og BiVO4 høster solstråling, men i stedet for å produsere elektrisitet som et fotovoltaisk panel, bruker de den høstede energien til å drive en kjemisk reaksjon med støtte fra katalysatorene. "Dette lar oss i hovedsak drive kjemi på et solcellepanel - i vårt tilfelle, konvertere drivhusgassen karbondioksid med vann for å produsere syngass, en viktig industriell energibærer," forteller Reisner Fysikkens verden.
Forskerne testet bladene deres som flyter på elven Cam i Cambridge og fant ut at de konverterer sollys til brensel like effektivt som naturlige planteblader. Faktisk oppnådde en enhet som inneholdt en platinakatalysator en aktivitet på 4,266 μmol H2 g-1 h-1.
Gårder for drivstoffsyntese
«Solparker har blitt populære for strømproduksjon; vi ser for oss lignende gårder for drivstoffsyntese, sier teammedlem Virgil Andrei. "Disse kan forsyne kystbosetninger, avsidesliggende øyer, dekke industridammer eller unngå vannfordampning fra vanningskanaler."
Væskestrømmen styres på overflaten inspirert av bartrærblader
"Mange fornybare energiteknologier, inkludert solbrenselteknologier, kan ta opp store mengder plass på land, så flytting av produksjon til åpent vann vil bety at ren energi og arealbruk ikke konkurrerer med hverandre," legger Reisner til. "I teorien kan du rulle sammen disse enhetene og sette dem nesten hvor som helst, i nesten alle land, noe som også vil hjelpe med energisikkerhet."
Forskerne sier at de nå vil jobbe med å skalere opp og forbedre effektiviteten og stabiliteten til enhetene deres. "Teamet vårt studerer også nye katalysatorer for å utvide kjemiomfanget til kunstige blader for å tillate oss å lage andre produkter fra rikelig med råmaterialer og ideelt sett, på lang sikt, mange forskjellige kjemikalier etter behov," sier Reisner.
Denne studien er detaljert i Natur.
