Lövliknande enheter som är tillräckligt lätta för att flyta på vatten skulle kunna användas för att generera bränsle från solgårdar belägna på öppna vattenkällor – en väg som inte har utforskats tidigare, enligt forskarna från University of Cambridge i Storbritannien som utvecklat dem. De nya enheterna är gjorda av tunna, flexibla substrat och perovskitbaserade ljusabsorberande lager, och tester visade att de kan producera antingen väte eller syngas (en blandning av väte och kolmonoxid) medan de flyter på floden Cam.
Konstgjorda löv som dessa är en typ av fotoelektrokemiska celler (PEC) som omvandlar solljus till elektrisk energi eller bränsle genom att efterlikna vissa aspekter av fotosyntesen, som att dela vatten i dess beståndsdelar syre och väte. Detta skiljer sig från konventionella fotovoltaiska celler, som omvandlar ljus direkt till elektricitet.
Eftersom PEC konstgjorda löv innehåller både ljusskörd och katalyskomponenter i en kompakt enhet, skulle de i princip kunna användas för att producera bränsle från solljus billigt och enkelt. Problemet är att nuvarande tekniker för att göra dem inte kan skalas upp. Dessutom är de ofta sammansatta av ömtåliga och tunga bulkmaterial, vilket begränsar deras användning.
2019 ett team av forskare under ledning av Erwin Reisner utvecklat ett konstgjort blad som producerade syngas från solljus, koldioxid och vatten. Den här enheten innehöll två ljusabsorbenter och katalysatorer, men den innehöll också ett tjockt glassubstrat och beläggningar för att skydda mot fukt, vilket gjorde den besvärlig.
Ny, lätt version
För att göra den nya, lättare versionen var Reisner och kollegor tvungna att övervinna flera utmaningar. Den första var att integrera ljusabsorbenter och katalysatorer i substrat som är resistenta mot vatteninfiltration. För att göra detta valde de en tunnfilmsmetalloxid, vismutvanadat (BiVO4), och fotoaktiva halvledare kända som blyhalogenidperovskiter, som kan beläggas på flexibla plast- och metallfolier. De täckte sedan enheterna med mikrontjock vattenavvisande polyetentereftalat. Resultatet blev en struktur som fungerar och ser ut som ett riktigt löv.
"Vi placerade ljusabsorbenterna i mitten av enheterna för att skydda dem från vatten", förklarar Reisner. "Särskilt den fuktkänsliga perovskiten måste isoleras helt."
Katalysatorerna avsätts på båda sidor av anordningen. Perovskiterna och BiVO4 skörda solstrålning, men istället för att producera elektricitet som en solcellspanel använder de den skördade energin för att driva en kemisk reaktion med stöd av katalysatorerna. "Detta tillåter oss att i huvudsak driva kemi på en solpanel - i vårt fall omvandla växthusgasen koldioxid med vatten för att producera syngas, en viktig industriell energibärare," säger Reisner Fysikvärlden.
Forskarna testade sina löv som flyter på floden Cam i Cambridge och fann att de omvandlar solljus till bränslen lika effektivt som naturliga växtblad. Faktum är att en anordning innehållande en platinakatalysator uppnådde en aktivitet på 4,266 XNUMX μmol H2 g-1 h-1.
Gårdar för bränslesyntes
”Solparker har blivit populära för elproduktion; vi föreställer oss liknande gårdar för bränslesyntes”, säger teammedlem Virgil Andrei. "Dessa kan försörja kustnära bosättningar, avlägsna öar, täcka industridammar eller undvika vattenavdunstning från bevattningskanaler."
Vätskeflödet styrs på yta inspirerad av barrträd
"Många tekniker för förnybar energi, inklusive solbränsleteknik, kan ta upp stora mängder utrymme på land, så att flytta produktionen till öppet vatten skulle innebära att ren energi och markanvändning inte konkurrerar med varandra", tillägger Reisner. "I teorin kan du rulla ihop dessa enheter och placera dem nästan var som helst, i nästan vilket land som helst, vilket också skulle hjälpa till med energisäkerhet."
Forskarna säger att de nu kommer att arbeta med att skala upp och förbättra effektiviteten och stabiliteten hos sina enheter. "Vårt team studerar också nya katalysatorer för att vidga kemiomfånget för konstgjorda löv så att vi kan göra andra produkter från rikliga råvaror och helst, på lång sikt, många olika kemikalier på efterfrågan," säger Reisner.
Den aktuella studien är detaljerad i Natur.
