Listom podobne naprave, ki so dovolj lahke, da lebdijo na vodi, bi lahko uporabili za pridobivanje goriva iz sončnih elektrarn, ki se nahajajo na odprtih vodnih virih – pot, ki še ni bila raziskana, pravijo raziskovalci z Univerze v Cambridgeu v Združenem kraljestvu, ki jih razvili. Nove naprave so narejene iz tankih, prožnih substratov in plasti, ki absorbirajo svetlobo na osnovi perovskita, testi pa so pokazali, da lahko med lebdenjem na reki Cam proizvajajo vodik ali sintetični plin (mešanica vodika in ogljikovega monoksida).
Umetni listi, kot so ti, so vrsta fotoelektrokemičnih celic (PEC), ki pretvarjajo sončno svetlobo v električno energijo ali gorivo s posnemanjem nekaterih vidikov fotosinteze, kot je cepitev vode na sestavni del kisika in vodika. To se razlikuje od običajnih fotovoltaičnih celic, ki pretvarjajo svetlobo neposredno v elektriko.
Ker umetni listi PEC vsebujejo komponente za zbiranje svetlobe in katalizo v eni kompaktni napravi, bi jih načeloma lahko uporabili za poceni in preprosto proizvodnjo goriva iz sončne svetlobe. Težava je v tem, da trenutnih tehnik za njihovo izdelavo ni mogoče povečati. Še več, pogosto so sestavljeni iz krhkih in težkih razsutih materialov, kar omejuje njihovo uporabo.
Leta 2019 je skupina raziskovalcev pod vodstvom Erwin Reisner razvil umetni list, ki proizvaja sintetični plin iz sončne svetlobe, ogljikovega dioksida in vode. Ta naprava je vsebovala dva absorberja svetlobe in katalizatorja, vendar je vključevala tudi debelo stekleno podlago in premaze za zaščito pred vlago, zaradi česar je bila okorna.
Nova, lahka različica
Za izdelavo nove, lažje različice so morali Reisner in sodelavci premagati več izzivov. Prva je bila integracija absorberjev svetlobe in katalizatorjev v substrate, ki so odporni na infiltracijo vode. Za to so izbrali tankoslojni kovinski oksid, bizmutov vanadat (BiVO4) in fotoaktivni polprevodniki, znani kot svinčevi halogenidi perovskiti, ki jih je mogoče prevleči na prožne plastične in kovinske folije. Nato so naprave prekrili z mikronsko debelim vodoodbojnim polietilen tereftalatom. Rezultat je bila struktura, ki deluje in je videti kot pravi list.
»Svetlobne absorberje smo postavili na sredino naprav, da bi jih zaščitili pred vodo,« pojasnjuje Reisner. "Zlasti perovskit, občutljiv na vlago, je treba popolnoma izolirati."
Katalizatorji so odloženi na obeh straneh naprave. Perovskiti in BiVO4 zbirajo sončno sevanje, vendar namesto da proizvajajo elektriko kot fotovoltaični panel, uporabljajo pridobljeno energijo za poganjanje kemične reakcije s podporo katalizatorjev. »To nam omogoča, da v bistvu poganjamo kemijo na sončni plošči – v našem primeru pretvarjanje toplogrednega plina ogljikovega dioksida z vodo za proizvodnjo sintetičnega plina, pomembnega industrijskega nosilca energije,« pravi Reisner. Svet fizike.
Raziskovalci so testirali njihove liste, ki plavajo na reki Cam v Cambridgeu, in ugotovili, da pretvarjajo sončno svetlobo v goriva enako učinkovito kot naravni listi rastlin. Dejansko je naprava s platinastim katalizatorjem dosegla aktivnost 4,266 μmol H2 g-1 h-1.
Farme za sintezo goriva
»Sončne elektrarne so postale priljubljene za proizvodnjo električne energije; predvidevamo podobne farme za sintezo goriva,« pravi član ekipe Virgil Andrej. "Ti bi lahko oskrbovali obalna naselja, oddaljene otoke, pokrivali industrijske ribnike ali preprečili izhlapevanje vode iz namakalnih kanalov."
Tok tekočine se usmerja po površini, ki jo navdihujejo listi iglavcev
»Številne tehnologije obnovljive energije, vključno s tehnologijami sončnega goriva, lahko zavzamejo veliko prostora na kopnem, zato bi selitev proizvodnje v odprte vode pomenila, da čista energija in raba zemlje ne tekmujeta druga z drugo,« dodaja Reisner. "Teoretično bi lahko te naprave zvili in jih postavili skoraj povsod, v skoraj katero koli državo, kar bi prav tako pomagalo pri energetski varnosti."
Raziskovalci pravijo, da bodo zdaj delali na povečevanju in izboljšanju učinkovitosti in stabilnosti svojih naprav. »Naša ekipa preučuje tudi nove katalizatorje, da bi razširili obseg kemije umetnih listov, da bi nam omogočili izdelavo drugih izdelkov iz obilnih surovin in idealno, dolgoročno, veliko različnih kemikalij na zahtevo,« pravi Reisner.
Ta študija je podrobno opisana v Narava.
