Dispozitive asemănătoare frunzelor, care sunt suficient de ușoare pentru a pluti pe apă, ar putea fi folosite pentru a genera combustibil din fermele solare situate pe surse de apă deschise – o cale care nu a fost explorată până acum, potrivit cercetătorilor de la Universitatea Cambridge din Marea Britanie, care le-a dezvoltat. Noile dispozitive sunt fabricate din substraturi subțiri, flexibile și straturi de absorbție a luminii pe bază de perovskit, iar testele au arătat că pot produce fie hidrogen, fie gaz de sinteză (un amestec de hidrogen și monoxid de carbon) în timp ce plutesc pe râul Cam.
Frunzele artificiale ca acestea sunt un tip de celulă fotoelectrochimică (PEC) care transformă lumina soarelui în energie electrică sau combustibil, imitând unele aspecte ale fotosintezei, cum ar fi împărțirea apei în oxigen și hidrogen. Aceasta este diferită de celulele fotovoltaice convenționale, care transformă lumina direct în electricitate.
Deoarece frunzele artificiale PEC conțin atât componente de recoltare a luminii, cât și componente de cataliză într-un singur dispozitiv compact, ele ar putea fi utilizate în principiu pentru a produce combustibil din lumina soarelui ieftin și simplu. Problema este că tehnicile actuale pentru realizarea lor nu pot fi extinse. În plus, acestea sunt adesea compuse din materiale în vrac fragile și grele, ceea ce limitează utilizarea lor.
În 2019, o echipă de cercetători condusă de Erwin Reisner a dezvoltat o frunză artificială care a produs gaz de sinteză din lumina soarelui, dioxid de carbon și apă. Acest dispozitiv conținea doi absorbanți de lumină și catalizatori, dar a încorporat și un substrat gros de sticlă și acoperiri pentru a proteja împotriva umezelii, ceea ce l-a făcut greoi.
Versiune nouă, ușoară
Pentru a face noua versiune mai ușoară, Reisner și colegii au fost nevoiți să depășească mai multe provocări. Prima a fost integrarea absorbanților de lumină și a catalizatorilor în substraturi care sunt rezistente la infiltrarea apei. Pentru a face acest lucru, au ales un oxid de metal cu peliculă subțire, vanadatul de bismut (BiVO4), și semiconductori fotoactivi cunoscuți sub numele de perovskiți cu halogenură de plumb, care pot fi acoperiți pe folii flexibile de plastic și metal. Apoi au acoperit dispozitivele cu polietilen tereftalat hidrofug cu o grosime de microni. Rezultatul a fost o structură care funcționează și arată ca o frunză adevărată.
„Am plasat absorbantele de lumină în centrul dispozitivelor, pentru a le proteja de apă”, explică Reisner. „Perovskitul sensibil la umiditate, în special, trebuie izolat complet.”
Catalizatorii sunt depuși pe ambele părți ale dispozitivului. Perovskiții și BiVO4 recoltează radiația solară, dar în loc să producă energie electrică ca un panou fotovoltaic, ei folosesc energia recoltată pentru a alimenta o reacție chimică cu sprijinul catalizatorilor. „Acest lucru ne permite, în esență, să conducem chimia pe un panou solar – în cazul nostru, transformând dioxidul de carbon din gazul cu efect de seră cu apă pentru a produce gaz de sinteză, un important transportator de energie industrial”, spune Reisner. Lumea fizicii.
Cercetătorii și-au testat frunzele care plutesc pe râul Cam din Cambridge și au descoperit că transformă lumina soarelui în combustibili la fel de eficient ca frunzele naturale ale plantelor. Într-adevăr, un dispozitiv care conține un catalizator de platină a atins o activitate de 4,266 μmol H2 g-1 h-1.
Ferme pentru sinteza combustibilului
„Fermele solare au devenit populare pentru producerea de energie electrică; ne imaginăm ferme similare pentru sinteza combustibilului”, spune membrul echipei Virgil Andrei. „Acestea ar putea alimenta așezările de coastă, insule îndepărtate, ar putea acoperi iazurile industriale sau ar putea evita evaporarea apei din canalele de irigare.”
Fluxul lichidului este condus pe suprafață inspirat de frunzele de conifere
„Multe tehnologii de energie regenerabilă, inclusiv tehnologiile cu combustibili solari, pot ocupa cantități mari de spațiu pe uscat, așa că mutarea producției în apă deschisă ar însemna că energia curată și utilizarea terenului nu concurează una cu cealaltă”, adaugă Reisner. „În teorie, puteți rula aceste dispozitive și le puteți pune aproape oriunde, în aproape orice țară, ceea ce ar ajuta, de asemenea, la securitatea energetică.”
Cercetătorii spun că vor lucra acum la extinderea și îmbunătățirea eficienței și stabilității dispozitivelor lor. „Echipa noastră studiază, de asemenea, noi catalizatori pentru a lărgi domeniul chimic al frunzelor artificiale, pentru a ne permite să facem alte produse din materii prime abundente și, în mod ideal, pe termen lung, multe substanțe chimice diferite la cerere”, spune Reisner.
Prezentul studiu este detaliat în Natură.
