Искусственный лист производит жидкое топливо из углекислого газа

Идея искусственного фотосинтеза заманчива: устройства, которые могли бы поглощать солнечный свет и углекислый газ, а затем, в присутствии воды, производить топливо. Конструкции эволюционировали от систем 2011 года, которые расщепляли воду для производства водородного топлива, до более поздних, более сложных систем, направленных на сокращение выбросов углекислого газа за счет его использования для создания топлива на основе углерода.

Но дело идет медленно. За прошедшие годы исследователям удалось создать системы, которые эффективно производят водород, а совсем недавно они разработали систему, которая может производить синтез-газ, представляющий собой смесь окиси углерода и водорода, которая используется для производства других продуктов, таких как метанол. Но устройство, способное непосредственно варить полезное жидкое топливо, до сих пор ускользало от исследователей.

Исследователи из Кембриджского университета создали первый искусственный лист, который может превращать углекислый газ в жидкое топливо — пропанол и этанол. В то время как другие уже демонстрировали преобразование углекислого газа в топливо с помощью электричества, новая работа, опубликованная в журнале Nature Energy, является ключевым достижением в использовании солнечного света для прямого производства чистого и полезного топлива из углекислого газа за один этап.

Ученые всего мира пытаются создать солнечное топливо, чтобы накопить солнечную энергию для последующего использования и удалить выбросы углекислого газа из атмосферы. Искусственный фотосинтез попадает в эту широкую категорию и может быть достигнут с использованием нескольких подходов. Одним из них является фотокатализ, при котором солнечный свет попадает непосредственно на светоактивируемый катализатор, такой как диоксид титана, который запускает химические реакции по восстановлению углекислого газа и расщеплению воды.

Вместо этого команда из Кембриджа применила фотоэлектрохимический подход, объясняет Мотиар Рахаман, член команды и исследователь-химик из Кембриджа. Этот подход включает в себя ячейку с полупроводниковыми фотоэлектродами, которые поглощают солнечный свет и производят электричество, которое приводит в действие химическую реакцию, управляемую катализатором. В 2019 году профессор химии из Кембриджа Эрвин Рейснер и его коллеги изготовили первое такое устройство из искусственных листьев, которое производило синтез-газ, а в 2022 году появилась легкая плавучая версия такого устройства.

Каждое из этих устройств имеет катод, состоящий из фотоэлектрического перовскита и кобальтового катализатора, и анод, изготовленный из фотокатализатора ванадата висмута. Когда устройство погружается в воду, ванадат висмута поглощает солнечный свет и запускает процесс расщепления воды на аноде. Тем временем на катоде перовскит генерирует электричество, которое заставляет кобальтовый катализатор восстанавливать углекислый газ и производить синтез-газ.

Рахаман, Райснер и их команда теперь модернизировали устройство с помощью разработанного ими специального катализатора, который позволяет устройству производить многоуглеродные спирты вместо синтез-газа. По словам Рахамана, медь — единственный известный металл, который может образовывать многоуглеродные продукты из углекислого газа, но для этого процесса требуется много энергии. Поэтому исследователи добавили в него палладий, чтобы создать биметаллический медно-палладиевый катализатор, который «выполняет эту работу при низком потенциале и требует мало энергии».

Искусственный лист подвергается солнечному облучению внутри фотореактора. Мотиар Рахаман.

Устройство активируется и начинает производить спирты (с соотношением пропанола к этанолу один к одному) почти сразу же при погружении в воду под солнечным светом. Исследователи позволили реакции протекать в лаборатории в течение 20 часов, а затем отделили спирт из реактора.

По словам Рахамана, все еще находится на ранней стадии, и устройство крошечное — всего 5 миллиметров в сторону. Он производит всего лишь микролитры спирта на квадратный сантиметр площади. Но команда работает над повышением эффективности устройства, оптимизируя светопоглощающие материалы, чтобы собирать больше солнечного света, и настраивая катализатор для преобразования большего количества углекислого газа в топливо. Они также планируют масштабировать устройство, чтобы оно могло производить большие объемы топлива.

«Устройство все еще маленькое, потому что мы только что изобрели эту технологию», — говорит он. «Сейчас мы получаем спирты в количествах в микролитрах. Но мы изобрели науку. Теперь это будет технико-инженерная работа, направленная на достижение большего масштаба. Если мы увеличим площадь поверхности, то увеличится и количество продукта».