Theo các nhà nghiên cứu từ Đại học Cambridge ở Anh, các thiết bị giống chiếc lá đủ nhẹ để nổi trên mặt nước có thể được sử dụng để tạo ra nhiên liệu từ các trang trại năng lượng mặt trời nằm trên các nguồn nước mở – một con đường chưa từng được khám phá trước đây. đã phát triển chúng. Các thiết bị mới được chế tạo từ chất nền mỏng, dẻo và các lớp hấp thụ ánh sáng dựa trên perovskite. Các thử nghiệm cho thấy chúng có thể tạo ra hydro hoặc khí tổng hợp (hỗn hợp hydro và carbon monoxide) khi trôi nổi trên Sông Cam.
Những chiếc lá nhân tạo như thế này là một loại tế bào quang điện hóa (PEC) biến đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện hoặc nhiên liệu bằng cách bắt chước một số khía cạnh của quá trình quang hợp, chẳng hạn như tách nước thành oxy và hydro cấu thành của nó. Điều này khác với các tế bào quang điện thông thường, có chức năng chuyển đổi ánh sáng trực tiếp thành điện năng.
Vì lá nhân tạo PEC chứa cả thành phần thu hoạch ánh sáng và xúc tác trong một thiết bị nhỏ gọn nên về nguyên tắc chúng có thể được sử dụng để sản xuất nhiên liệu từ ánh sáng mặt trời một cách rẻ tiền và đơn giản. Vấn đề là các kỹ thuật hiện tại để tạo ra chúng không thể mở rộng được. Hơn nữa, chúng thường bao gồm các vật liệu rời nặng và dễ vỡ, điều này hạn chế việc sử dụng chúng.
Năm 2019, một nhóm các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi Erwin Reisner đã phát triển một chiếc lá nhân tạo tạo ra khí tổng hợp từ ánh sáng mặt trời, carbon dioxide và nước. Thiết bị này chứa hai chất hấp thụ ánh sáng và chất xúc tác, nhưng nó cũng kết hợp một lớp nền thủy tinh dày và lớp phủ để bảo vệ chống ẩm, khiến nó trở nên cồng kềnh.
Phiên bản mới, nhẹ
Để tạo ra phiên bản mới nhẹ hơn, Reisner và các đồng nghiệp đã phải vượt qua nhiều thử thách. Đầu tiên là tích hợp các chất hấp thụ ánh sáng và chất xúc tác vào chất nền có khả năng chống thấm nước. Để làm điều này, họ đã chọn một oxit kim loại màng mỏng, bismuth vanadate (BiVO4) và các chất bán dẫn quang hoạt được gọi là perulfit chì halogenua, có thể được phủ lên các lá kim loại và nhựa dẻo. Sau đó, họ phủ lên các thiết bị một lớp polyethylene terephthalate chống thấm nước dày micron. Kết quả là một cấu trúc hoạt động được và trông giống như một chiếc lá thật.
Reisner giải thích: “Chúng tôi đặt các bộ hấp thụ ánh sáng ở giữa các thiết bị để bảo vệ chúng khỏi nước”. “Đặc biệt, perovskite nhạy cảm với độ ẩm cần phải được cách ly hoàn toàn.”
Chất xúc tác được lắng đọng ở cả hai mặt của thiết bị. Perovskite và BiVO4 thu hoạch bức xạ mặt trời, nhưng thay vì sản xuất điện như tấm quang điện, họ sử dụng năng lượng thu được để cung cấp năng lượng cho phản ứng hóa học với sự hỗ trợ của chất xúc tác. Reisner cho biết: “Về cơ bản, điều này cho phép chúng tôi điều khiển hoạt động hóa học trên tấm pin mặt trời - trong trường hợp của chúng tôi là chuyển đổi khí nhà kính carbon dioxide bằng nước để sản xuất khí tổng hợp, một chất mang năng lượng công nghiệp quan trọng”. Thế giới vật lý.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm những chiếc lá trôi trên sông Cam ở Cambridge và nhận thấy chúng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu hiệu quả như lá cây tự nhiên. Thật vậy, một thiết bị chứa chất xúc tác bạch kim đã đạt được hoạt độ 4,266 μmol H2 g-1 h-1.
Trang trại tổng hợp nhiên liệu
“Các trang trại năng lượng mặt trời đã trở nên phổ biến để sản xuất điện; chúng tôi hình dung ra những trang trại tương tự để tổng hợp nhiên liệu,” thành viên nhóm cho biết Virgil Andrei. “Những thứ này có thể cung cấp cho các khu định cư ven biển, các hòn đảo xa xôi, che phủ các ao công nghiệp hoặc tránh sự bốc hơi nước từ các kênh tưới tiêu.”
Dòng chất lỏng được điều khiển trên bề mặt lấy cảm hứng từ lá cây lá kim
Reisner cho biết thêm: “Nhiều công nghệ năng lượng tái tạo, bao gồm công nghệ nhiên liệu mặt trời, có thể chiếm một lượng lớn không gian trên đất liền, do đó, việc chuyển sản xuất sang vùng nước mở có nghĩa là năng lượng sạch và việc sử dụng đất không cạnh tranh với nhau”. “Về lý thuyết, bạn có thể cuộn các thiết bị này lại và đặt chúng ở hầu hết mọi nơi, ở hầu hết mọi quốc gia, điều này cũng sẽ giúp ích cho an ninh năng lượng.”
Các nhà nghiên cứu cho biết giờ đây họ sẽ nỗ lực mở rộng quy mô và cải thiện hiệu quả cũng như độ ổn định của thiết bị. Reisner cho biết: “Nhóm của chúng tôi cũng đang nghiên cứu các chất xúc tác mới để mở rộng phạm vi hóa học của lá nhân tạo nhằm cho phép chúng tôi tạo ra các sản phẩm khác từ nguồn nguyên liệu dồi dào và lý tưởng là về lâu dài sẽ có nhiều loại hóa chất khác nhau theo yêu cầu”.
Nghiên cứu hiện tại được trình bày chi tiết trong Thiên nhiên.
