Дослідники з Кембриджського університету у Великій Британії стверджують, що листоподібні пристрої, які достатньо легкі, щоб плавати на воді, можуть використовуватися для виробництва палива на сонячних електростанціях, розташованих у відкритих джерелах води. Цей шлях раніше не досліджували. розвивав їх. Нові пристрої виготовлені з тонких гнучких підкладок і світлопоглинаючих шарів на основі перовскіту, і випробування показали, що вони можуть виробляти або водень, або синтетичний газ (суміш водню та окису вуглецю), плаваючи по річці Кам.
Подібне штучне листя є типом фотоелектрохімічних елементів (PEC), які перетворюють сонячне світло в електричну енергію або паливо, імітуючи деякі аспекти фотосинтезу, наприклад розщеплення води на кисень і водень, що входять до її складу. Це відрізняється від звичайних фотоелектричних елементів, які перетворюють світло безпосередньо в електрику.
Оскільки штучне листя PEC містить компоненти збору світла та каталізу в одному компактному пристрої, їх можна в принципі використовувати для виробництва палива з сонячного світла дешево та просто. Проблема полягає в тому, що сучасні методи їх виготовлення неможливо розширити. Більш того, вони часто складаються з крихких і важких сипучих матеріалів, що обмежує їх використання.
У 2019 році команда дослідників під керівництвом Ервін Рейснер розробив штучний лист, який виробляв синтез-газ із сонячного світла, вуглекислого газу та води. Цей пристрій містив два поглиначі світла та каталізатори, але він також містив товсту скляну підкладку та покриття для захисту від вологи, що робило його громіздким.
Нова, полегшена версія
Щоб створити нову, полегшену версію, Рейснеру та його колегам довелося подолати кілька труднощів. Перший полягав у інтеграції поглиначів світла та каталізаторів у субстрати, стійкі до проникнення води. Для цього вони обрали тонкоплівковий оксид металу ванадат вісмуту (BiVO4) і фотоактивні напівпровідники, відомі як перовскіти галогеніду свинцю, які можна наносити на гнучку пластикову та металеву фольгу. Потім вони покрили пристрої водовідштовхувальним поліетилентерефталатом мікронної товщини. В результаті вийшла структура, яка працює і виглядає як справжній лист.
«Ми розмістили поглиначі світла в центрі пристроїв, щоб захистити їх від води», — пояснює Рейснер. «Чутливий до вологи перовскіт, зокрема, потребує повної ізоляції».
Каталізатори нанесені з обох боків пристрою. Перовскіти і BiVO4 збирають сонячне випромінювання, але замість того, щоб виробляти електроенергію, як фотоелектричні панелі, вони використовують зібрану енергію для забезпечення хімічної реакції за допомогою каталізаторів. «Це дозволяє нам, по суті, керувати хімією на сонячних батареях — у нашому випадку, перетворюючи вуглекислий газ, що виділяється парниковим ефектом, водою для виробництва синтез-газу, важливого промислового носія енергії», — розповідає Рейснер. Світ фізики.
Дослідники перевірили їхнє листя, що плаває на річці Кем у Кембриджі, і виявили, що воно перетворює сонячне світло на паливо так само ефективно, як і природне листя рослин. Дійсно, пристрій, що містить платиновий каталізатор, досяг активності 4,266 μмоль Н2 g-1 h-1.
Ферми для синтезу палива
«Сонячні електростанції стали популярними для виробництва електроенергії; ми передбачаємо подібні ферми для синтезу палива», — каже член команди Вергілій Андрій. «Вони могли б забезпечити прибережні поселення, віддалені острови, накрити промислові ставки або уникнути випаровування води з зрошувальних каналів».
Потік рідини спрямовується на поверхню, натхненну хвойним листям
«Багато технологій відновлюваної енергії, включно з технологіями сонячного палива, можуть займати багато місця на суші, тому перенесення виробництва у відкриту воду означатиме, що чиста енергія та землекористування не конкурують між собою», – додає Рейснер. «Теоретично ви можете згорнути ці пристрої та розмістити їх майже будь-де, майже в будь-якій країні, що також сприятиме енергетичній безпеці».
Дослідники кажуть, що тепер вони працюватимуть над розширенням і підвищенням ефективності та стабільності своїх пристроїв. «Наша команда також вивчає нові каталізатори, щоб розширити хімічний діапазон штучного листя, щоб дозволити нам виробляти інші продукти з великої кількості сировини та, в ідеалі, у довгостроковій перспективі, багато різних хімікатів за потребою», — говорить Рейснер.
Це дослідження детально описано в природа.
