Американские физики создали революционные солнечные батареи, дешево и эффективно преобразующие атмосферный углекислый газ в углеводородное топливо, используя энергию света и воду.
«Эта солнечная батарея представляет собой не фотоэлектрическое, а фотосинтетическое устройство. Теперь мы можем отказаться от принципиально нежизнеспособного «одностороннего» производства энергии, превращая ископаемые виды топлива в углекислоту, и обратить процесс вспять, перерабатывая атмосферный СО2 в топливо при помощи света», — заявил Амин Салехи-Ходжин из университета штата Иллинойс в Чикаго.
Фотосинтез ex machina
За миллионы лет эволюции растения и цианобактерии научились захватывать фотоны солнечного света и использовать их энергию для сборки молекул питательных веществ. С одной стороны, этот процесс очень эффективен с точки зрения химии, а с другой — растения используют лишь 1—2% от общей энергии излучения Солнца. Учитывая нарастающий продовольственный кризис и нужду в зеленых источниках топлива, ученые в последние годы неоднократно пытались улучшить КПД растений, меняя их геном, и создать более эффективный искусственный аналог фотосинтеза.
Салехи-Ходжин и его коллеги довели этот процесс до логического конца, создав такой катализатор, который способен использовать энергию света для превращения молекул СО2 и воды в угарный газ (СО) и водород, из которых можно изготовлять метанол и другие виды горючих спиртов.
Сердцем их «искусственного листа», как называют эту установку ученые, является емкость, в которой содержится катализатор – диселенид вольфрама — в виде небольших чешуек, и особая ионная жидкость – 1-этил-3-метилимидазол тетрафторборат – способствующая разложению молекул СО2 на угарный газ и кислород, и использующая часть высвобожденной энергии для разложения воды на водород и кислород.
Приручить Солнце
Энергия для этой системы вырабатывается небольшим набором солнечных батарей, которые преобразуют свет в движение электронов и заставляют катализатор разделять СО2 на О и СО. По словам ученых, их «лист» начинает работать уже при обычном солнечном освещении, и не требует концентрации света, как многие другие фоторасщепители воды и углекислоты.
По словам ученых, им удалось добиться того, чтобы их катализатор использовал свыше 24% энергии света, гораздо выше, чем удавалось добиться в других подобных приборах. Подобный показатель является важной вехой – он заметно выше отметки в 17% КПД, которую многие ученые считают порогом коммерческой жизнеспособности для производства углеводородов «из воздуха», а не их извлечения из недр планеты. Благодаря этому общее КПД системы превышает 4,5%, что почти в два раза больше, чем у других «искусственных листьев».
Как отмечает Салехи-Ходжин, такие установки могут быть использованы для получения топлива не только на Земле, но и, к примеру, на Марсе, чья атмосфера состоит на 99% из углекислого газа. Вода на Марсе есть, и силы местного солнечного света, по его оценкам, хватит для запуска данной реакции и обеспечения первых марсианских колоний водой, кислородом, светом и теплом.
С другой стороны, не стоит ждать, что углеводороды резко подешевеют прямо завтра — главной проблемой на пути скорейшего «вторжения» этой технологии в нашу жизнь пока является то, что солнечные батареи, погруженные в раствор с катализатором, деградируют через 4—5 часов его работы. Ученым еще предстоит создать такие фотоэлементы, которые бы не разрушались под действием ионной жидкости и тех химических процессов, которые в ней протекают.
Технология очистки зелёного топлива
А в это время сотрудники института НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из МГУ предложили технологию, благодаря которой концентрация водорода может быть повышена до уровня, позволяющего значительно продлить срок жизни топливного элемента экологически чистого двигателя.
«Водород – это экологически чистый и высокоэффективный энергоноситель. Главные достоинства водорода как альтернативного источника энергии в том, что его удельная теплота сгорания втрое выше, чем у нефти, а при его сгорании образуется только вода, что в свою очередь совершенно безопасно для окружающей среды. Однако получаемый техническим способом водород в большинстве случаев бывает сильно загрязнен примесями других газов. Очистка водорода — не менее важная часть производства, чем его получение», — отмечают учёные.
Группа исследователей разработала дешевую и эффективную технологию очистки и хранения водорода на основе металл-полимерных мембран. В настоящее время коллектив проводит лабораторные тесты полученных образцов.
Власти РФ всерьез задумались над развитием зеленых технологий во многих сферах, прежде всего в энергетике и промышленности. Значительная часть действующих основных фондов, введенных в строй еще в советское время, а также технологий остро нуждается в обновлении и замене.
Источник Science