Превращение солнечного света в жидкое топливо

Автор: kolinos | Рубрика: Другие источники энергии

Наверняка все мы время от времени слышали об искусственных листьях и искусственных деревьях для выработки электроэнергии. В течение миллионов лет зеленые растения выполняют функцию фотосинтеза, даря нам жизнь. Они ловят энергию солнечного света и преобразовывают ее в электрохимическую энергию. Теперь ученые хотят имитировать процесс фотосинтеза для получения экологически чистого жидкого топлива из углекислого газа и воды.

В настоящее время исследователи совместно с Национальной Лабораторией Беркли Департамента энергетики США готовят крупный прорыв в направлении искусственного фотосинтеза. Они рассчитывают на применение нано-габаритных кристаллов оксида кобальта, при помощи которого они смогут эффективно осуществить важнейшую фотосинтетическую реакцию расщепления молекул воды.

Искусственный фотосинтез не будет способствовать образованию парниковых газов, и, следовательно, глобальному потеплению. Он будет возобновляемым ресурсом для транспортировки энергии. Идея заключается в том, чтобы создать искусственный лист, который повторял бы несколько действий в фотосинтезе. Этот лист должен поглощать солнечные фотоны, а также иметь каталитическую систему для окисления воды.

Хайнц Фрей (Heinz Frei) и Фэн Цзяо (Feng Jiao) опубликовали результаты своего исследования в журнале «Angewandte Chemie». Это исследование было проведено с участием Исследовательского центра солнечной энергии «Гелиос» (Helios SERC) в рамках научной программы Лаборатории Беркли под руководством Пола Аливисатоса (Paul Alivisatos). Эта программа сосредоточена на разработке топлива из солнечных лучей.

Хайнц Фрей, химик Отдела физических бионаук Лаборатории Беркли, поясняет: «Фотоокисление молекул воды на кислород и ионы водорода (электроны и протоны) является одним из двух основных полуреакций искусственного фотосинтеза – она обеспечивает систему электронами, необходимыми для превращения углекислого газа в топливо». Он еще раз подчеркивает, почему делает ставку на применение оксида кобальта: «Результативному процессу фотоокисления нужен катализатор для того, чтобы и эффективно использовать солнечные фотоны, и достаточно стабильно поддерживать солнечный поток во избежание истощения этих фотонов. Кластеры из нанокристаллов оксида кобальта достаточно эффективные и быстрые, а также стабильные и имеются в изобилии. Они отвечают всем требованиям».

Фрей также объяснил, почему они не хотят использовать оксид иридия для искусственного фотосинтеза. Несмотря на то, что оксид иридия является хорошим катализатором, этот металл довольно редко встречается на Земле. Поэтому его непрактично использовать в промышленных масштабах. Он говорит: «Нам необходим металл, который был бы не менее эффективен, но гораздо более распространен».

Сначала они пытались взять марганец для основы металлоорганического комплекса искусственного фотосинтеза, который используется в «Фотосистеме II». Но соединения, содержащие марганец, нерастворимы в воде. Поэтому Фрей и его команда обратили внимание на оксид кобальта, который весьма распространен на Земле и подходит для промышленного использования. Оксид кобальта к тому же растворяется в воде.

Но сначала работа по искусственному фотосинтезу не имела успеха. Частицы оксида кобальта микронных размеров оказались неэффективными и слишком медленными для того, чтобы выступать в роли катализатора. Фрей и Цзяо обратили внимание на нано-размеры оксида кобальта. Оказалось, что выработка кластеров из кристаллов оксида кобальта (CO3OH) нано-размера приблизительно в 1600 раз интенсивнее, чем у частиц микро-размера. Оборот частоты (скорости) на кластере – около 1140 молекул кислорода в секунду, что соизмеримо со скоростью солнечного потока на уровне земли (около 1000 Вт на квадратный метр). Следующим большим шагом будет совмещение полуреакции окисления воды с последующей реакцией восстановления углекислым газом в системе модели искусственного листа.

Поделиться в соц. сетях