Подобные листьям устройства, достаточно легкие, чтобы плавать на воде, могут быть использованы для выработки топлива на солнечных фермах, расположенных на открытых источниках воды. разработал их. Новые устройства изготовлены из тонких гибких подложек и светопоглощающих слоев на основе перовскита, и испытания показали, что они могут производить либо водород, либо синтез-газ (смесь водорода и монооксида углерода) во время плавания по реке Кэм.
Подобные искусственные листья представляют собой тип фотоэлектрохимического элемента (PEC), который преобразует солнечный свет в электрическую энергию или топливо, имитируя некоторые аспекты фотосинтеза, такие как расщепление воды на составляющие ее кислород и водород. Это отличается от обычных фотогальванических элементов, которые преобразуют свет непосредственно в электричество.
Поскольку искусственные листья PEC содержат как светособирающие, так и катализирующие компоненты в одном компактном устройстве, их, в принципе, можно использовать для дешевого и простого производства топлива из солнечного света. Проблема в том, что существующие методы их изготовления нельзя масштабировать. Более того, они часто состоят из хрупких и тяжелых сыпучих материалов, что ограничивает их использование.
В 2019 году группа исследователей под руководством Эрвин Рейснер разработал искусственный лист, который производил синтетический газ из солнечного света, углекислого газа и воды. Это устройство содержало два поглотителя света и катализаторы, но также имело толстую стеклянную подложку и покрытия для защиты от влаги, что делало его громоздким.
Новая облегченная версия
Чтобы сделать новую, более легкую версию, Рейснеру и его коллегам пришлось преодолеть несколько трудностей. Первый заключался в интеграции поглотителей света и катализаторов в субстраты, устойчивые к проникновению воды. Для этого они выбрали тонкопленочный оксид металла, ванадат висмута (BiVO4) и фотоактивные полупроводники, известные как перовскиты галогенида свинца, которые можно наносить на гибкую пластиковую и металлическую фольгу. Затем они покрыли устройства водоотталкивающим полиэтилентерефталатом толщиной в микрон. В результате получилась структура, которая работает и выглядит как настоящий лист.
«Мы разместили светопоглотители в центре устройств, чтобы защитить их от воды», — объясняет Рейснер. «В частности, необходимо полностью изолировать чувствительный к влаге перовскит».
Катализаторы нанесены на обе стороны устройства. Перовскиты и BiVO4 собирают солнечное излучение, но вместо того, чтобы производить электричество, как фотоэлектрические панели, они используют собранную энергию для запуска химической реакции при поддержке катализаторов. «Это позволяет нам, по сути, управлять химией на солнечной панели — в нашем случае преобразованием углекислого газа, вызывающего парниковый эффект, с водой для производства синтез-газа, важного промышленного энергоносителя», — говорит Рейснер. Мир физики.
Исследователи проверили их листья, плавающие на реке Кэм в Кембридже, и обнаружили, что они превращают солнечный свет в топливо так же эффективно, как и естественные листья растений. Действительно, устройство, содержащее платиновый катализатор, достигло активности 4,266 μмоль H2 g-1 h-1.
Фермы по синтезу топлива
«Солнечные фермы стали популярными для производства электроэнергии; мы предполагаем аналогичные фермы для синтеза топлива», — говорит член команды. Вергилий Андрей. «Они могли бы снабжать прибрежные поселения, отдаленные острова, покрывать промышленные пруды или предотвращать испарение воды из оросительных каналов».
Поток жидкости направляется по поверхности, вдохновленной хвойными листьями.
«Многие технологии использования возобновляемых источников энергии, в том числе технологии солнечного топлива, могут занимать много места на суше, поэтому перенос производства на открытую воду будет означать, что чистая энергия и землепользование не будут конкурировать друг с другом», — добавляет Рейснер. «Теоретически вы могли бы свернуть эти устройства и разместить их практически где угодно, практически в любой стране, что также помогло бы с энергетической безопасностью».
Исследователи говорят, что теперь они будут работать над масштабированием и повышением эффективности и стабильности своих устройств. «Наша команда также изучает новые катализаторы, чтобы расширить область химии искусственных листьев, чтобы мы могли производить другие продукты из обильного сырья и, в идеале, в долгосрочной перспективе, из множества различных химикатов по запросу», — говорит Рейснер.
Настоящее исследование подробно описано в природа.
