Urządzenia przypominające liście, które są na tyle lekkie, że mogą unosić się na wodzie, można wykorzystać do generowania paliwa z farm fotowoltaicznych zlokalizowanych na otwartych źródłach wody – jest to sposób, który nie był wcześniej badany, uważają naukowcy z Uniwersytetu w Cambridge w Wielkiej Brytanii, którzy je rozwinął. Nowe urządzenia są wykonane z cienkich, elastycznych substratów i warstw pochłaniających światło na bazie perowskitu, a testy wykazały, że podczas pływania po rzece Cam mogą wytwarzać wodór lub gaz syntezowy (mieszaninę wodoru i tlenku węgla).
Tego rodzaju sztuczne liście to rodzaj ogniw fotoelektrochemicznych (PEC), które przekształcają światło słoneczne w energię elektryczną lub paliwo, naśladując niektóre aspekty fotosyntezy, takie jak rozkład wody na składowy tlen i wodór. Różni się to od konwencjonalnych ogniw fotowoltaicznych, które przekształcają światło bezpośrednio w energię elektryczną.
Ponieważ sztuczne liście PEC zawierają zarówno składniki zbierające światło, jak i składniki katalityczne w jednym kompaktowym urządzeniu, zasadniczo można je wykorzystać do taniej i prostej produkcji paliwa ze światła słonecznego. Problem w tym, że obecnych technik ich wytwarzania nie da się zwiększyć. Co więcej, często składają się z kruchych i ciężkich materiałów sypkich, co ogranicza ich zastosowanie.
W 2019 roku zespół badaczy pod przewodnictwem Erwina Reisnera opracowali sztuczny liść, który wytwarzał gaz syntezowy ze światła słonecznego, dwutlenku węgla i wody. Urządzenie to zawierało dwa pochłaniacze światła i katalizatory, ale zawierało również grube szklane podłoże i powłoki chroniące przed wilgocią, co czyniło je uciążliwymi.
Nowa, lekka wersja
Aby stworzyć nową, lżejszą wersję, Reisner i współpracownicy musieli pokonać kilka wyzwań. Pierwszym było zintegrowanie absorberów światła i katalizatorów z podłożami odpornymi na infiltrację wody. Aby to zrobić, wybrali cienkowarstwowy tlenek metalu, wanadan bizmutu (BiVO4) oraz fotoaktywne półprzewodniki znane jako perowskity halogenkowo-ołowiowe, którymi można powlekać elastyczne folie z tworzyw sztucznych i metali. Następnie pokryli urządzenia wodoodpornym politereftalanem etylenu o grubości mikrona. W rezultacie powstała konstrukcja, która działa i wygląda jak prawdziwy liść.
„Umieściliśmy pochłaniacze światła pośrodku urządzeń, aby chronić je przed wodą” – wyjaśnia Reisner. „W szczególności perowskit wrażliwy na wilgoć musi zostać całkowicie odizolowany”.
Katalizatory są osadzone po obu stronach urządzenia. Perowskity i BiVO4 zbierają promieniowanie słoneczne, ale zamiast wytwarzać energię elektryczną jak panele fotowoltaiczne, wykorzystują zebraną energię do napędzania reakcji chemicznej przy wsparciu katalizatorów. „Dzięki temu możemy zasadniczo napędzać chemię w panelu słonecznym – w naszym przypadku przekształcając dwutlenek węgla będący gazem cieplarnianym za pomocą wody w celu wytworzenia gazu syntezowego, ważnego przemysłowego nośnika energii” – mówi Reisner Świat Fizyki.
Naukowcy przetestowali ich liście unoszące się na rzece Cam w Cambridge i odkryli, że przekształcają światło słoneczne w paliwo tak skutecznie, jak naturalne liście roślin. Rzeczywiście, urządzenie zawierające katalizator platynowy osiągnęło aktywność 4,266 μmol H2 g-1 h-1.
Farmy syntezy paliw
„Farmy słoneczne stały się popularne w zakresie produkcji energii elektrycznej; przewidujemy podobne farmy zajmujące się syntezą paliw” – mówi członek zespołu Wergiliusz Andrzej. „Mogłyby one zaopatrywać osady przybrzeżne, odległe wyspy, zakrywać stawy przemysłowe lub zapobiegać parowaniu wody z kanałów irygacyjnych”.
Przepływ cieczy sterowany jest na powierzchni inspirowanej liśćmi drzew iglastych
„Wiele technologii energii odnawialnej, w tym technologie paliw słonecznych, może zajmować duże ilości miejsca na lądzie, więc przeniesienie produkcji na otwarte wody oznaczałoby, że czysta energia i użytkowanie gruntów nie konkurują ze sobą” – dodaje Reisner. „Teoretycznie można by te urządzenia zwinąć i postawić niemal w dowolnym miejscu, w niemal każdym kraju, co pomogłoby też w zwiększeniu bezpieczeństwa energetycznego”.
Naukowcy twierdzą, że będą teraz pracować nad zwiększeniem skali i poprawą wydajności i stabilności swoich urządzeń. „Nasz zespół bada również nowe katalizatory, aby poszerzyć zakres chemiczny sztucznych liści, aby umożliwić nam wytwarzanie innych produktów z obfitych surowców, a najlepiej, w dłuższej perspektywie, z wielu różnych chemikaliów na żądanie” – mówi Reisner.
Niniejsze badanie jest szczegółowo opisane w: Natura.
