漂浮的人造树叶可以产生太阳能燃料

英国剑桥大学的研究人员表示，重量轻、可以漂浮在水面上的叶状装置可用于从位于开放水源的太阳能发电场产生燃料，这是一种以前从未探索过的途径。开发了它们。这些新设备由薄的柔性基板和基于钙钛矿的光吸收层制成，测试表明它们可以在漂浮在康河上时产生氢气或合成气（氢气和一氧化碳的混合物）。

像这样的人造叶子是一种光电化学电池（PEC），它通过模仿光合作用的某些方面（例如将水分解为其成分氧和氢）将阳光转化为电能或燃料。这与传统的光伏电池不同，传统的光伏电池将光直接转化为电能。

由于 PEC 人造叶子在一个紧凑的装置中同时包含光捕获和催化组件，因此原则上它们可以用于廉价且简单地利用阳光生产燃料。问题是目前的制造技术无法扩大规模。更重要的是，它们通常由易碎且笨重的散装材料组成，这限制了它们的使用。

2019年，由以下人员领导的研究团队 欧文·赖斯纳 开发了一种人造叶子，可以利用阳光、二氧化碳和水产生合成气。该装置包含两个光吸收器和催化剂，但它还采用了厚玻璃基板和防潮涂层，这使得它很笨重。

新的轻量级版本

为了制造出更轻的新版本，赖斯纳和同事必须克服多项挑战。第一个是将光吸收剂和催化剂集成到防水渗透的基材中。为此，他们选择了一种薄膜金属氧化物，即钒酸铋 (BiVO₄），以及被称为卤化铅钙钛矿的光活性半导体，可以涂覆在柔性塑料和金属箔上。然后他们用微米厚的防水聚对苯二甲酸乙二醇酯覆盖这些设备。其结果是一个结构可以工作并且看起来像一片真正的叶子。

“我们将光吸收器放置在设备的中心，以保护它们免受水的影响，”赖斯纳解释道。 “对湿气敏感的钙钛矿尤其需要完全隔离。”

催化剂沉积在装置的两侧。钙钛矿和 BiVO₄ 收集太阳辐射，但它们不像光伏板那样发电，而是利用收集到的能量在催化剂的支持下为化学反应提供动力。 “这使我们能够从根本上驱动太阳能电池板上的化学反应——在我们的例子中，用水将温室气体二氧化碳转化为合成气，这是一种重要的工业能源载体，”赖斯纳说 物理世界.

研究人员测试了漂浮在剑桥康河上的叶子，发现它们像天然植物叶子一样有效地将阳光转化为燃料。事实上，含有铂催化剂的装置的活性达到了 4,266 μ摩尔H₂ g ^{- 1} h ^{- 1}.

燃料合成农场

“太阳能发电场在电力生产方面已变得流行；我们设想类似的燃料合成农场，”团队成员说 维吉尔安德烈。 “这些可以供应沿海定居点、偏远岛屿、覆盖工业池塘，或避免灌溉渠的水蒸发。”

“许多可再生能源技术，包括太阳能燃料技术，会占用大量陆地空间，因此将生产转移到开放水域将意味着清洁能源和土地利用不会相互竞争，”赖斯纳补充道。 “理论上，你可以将这些设备卷起并放置在几乎任何国家的任何地方，这也将有助于能源安全。”

研究人员表示，他们现在将致力于扩大规模并提高设备的效率和稳定性。 “我们的团队还在研究新的催化剂，以扩大人造树叶的化学范围，使我们能够利用丰富的原料生产其他产品，从长远来看，理想情况下，可以根据需要生产许多不同的化学品，”赖斯纳说。

本研究详述于 自然.