System stworzony przez naukowców z University of Michigan produkuje etylen z wydajnością i trwałością znacznie przewyższającą inne sztuczne układy fotosyntezy. Etylen (C2H4) jest węglowodorem zwykle stosowanym w tworzywach sztucznych, więc dwutlenek węgla można zamienić w substrat niezbędny w większości wykorzystywanych przez nas plastików. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature Synthesis.
Czytaj też:Japończycy dokonali niemożliwego! Stworzyli zielone paliwo, a przy okazji pomogli odetchnąć planecie
Prof. Zetian Mi z University of Michigan mówi:
Wydajność, aktywność i stabilność są ok. 5-6 razy lepsze niż te, które są zwykle podawane dla energii słonecznej lub redukcji dwutlenku węgla do etylenu napędzanej światłem. Etylen jest w rzeczywistości najczęściej produkowanym związkiem organicznym na świecie. Jednak zwykle powstaje on z ropy naftowej i gazu, w wysokich temperaturach i pod wysokim ciśnieniem, co powoduje emisję CO2.
Fotosyntezy uczymy się od roślin – i wychodzi nam to coraz lepiej
Sztuczna fotosynteza to technologia, której celem jest naśladowanie naturalnego procesu fotosyntezy, zachodzącego u roślin, w celu produkcji energii. W naturalnej fotosyntezie rośliny wykorzystują światło słoneczne do przekształcania dwutlenku węgla i wody w glukozę oraz tlen, co jest podstawą ich metabolizmu i wzrostu. Sztuczna fotosynteza ma za zadanie symulować ten proces, aby przekształcać energię słoneczną bezpośrednio w paliwa, takie jak wodór, oraz inne użyteczne produkty chemiczne.
Czytaj też:Sztuczna fotosynteza. Nadchodzi nieograniczone źródło paliw?
W sztucznej fotosyntezie wykorzystuje się materiały fotokatalityczne, które pochłaniają energię słoneczną i inicjują reakcje chemiczne, podobnie jak chlorofil u roślin. Zazwyczaj systemy te składają się z trzech głównych elementów: katalizatorów, absorberów światła i transporterów elektronów.
System opracowany przez naukowców z University of Michigan pochłania światło za pomocą dwóch rodzajów półprzewodników: “lasu” nanodrutów azotku galu, każdy o szerokości zaledwie 50 nm (kilkaset atomów), oraz krzemowej podstawy, na której zostały wyhodowane. Reakcja przekształcająca wodę i dwutlenek węgla w etylen zachodzi na klastrach miedzi, z których każdy ma ok. 30 atomów.
Nanodruty zanurza się w wodzie wzbogaconej dwutlenkiem węgla i wystawia na działanie światła równoważnego Słońcu w południe. Energia światła uwalnia elektrony, które rozszczepiają wodę w pobliżu powierzchni nanodrutów azotku galu. Tworzy to wodór, który zasila reakcję etylenu, ale także tlen, który azotek galu pochłania, stając się tlenkiem azotku galu. Reakcja kończy się na styku miedzi i tlenku azotku galu, gdzie dwa atomy tlenu są odrywane i zastępowane trzema atomami wodoru z rozszczepienia wody.
Wykazano, że 61 proc. wolnych elektronów, które półprzewodniki wygenerowały za pomocą światła, przyczyniło się do reakcji prowadzącej do wytworzenia etylenu. Podczas gdy inny katalizator na bazie srebra i miedzi osiągnął podobną wydajność około 50 proc., pracował w płynie na bazie węgla i tylko przez kilka godzin, zanim uległ degradacji. System sztucznej fotosyntezy stworzony przez badaczy z Michigan działał przez 116 godzin bez zwalniania. Urządzenie produkowało etylen w tempie ponad 4 razy wyższym niż konkurencyjne układy.
Długoterminowym celem jest łączenie dłuższych łańcuchów atomów węgla i wodoru (jak propanol) w celu produkcji paliw płynnych, które można łatwo transportować.