Многие системы успешно восстанавливают диоксид углерода до химических веществ и прекурсоров топлива, таких как оксид углерода или смесь оксида углерода и водорода, известная как синтез-газ. Эта новая работа, описанная в исследовании, опубликованном в журнале Energy and Environmental Science, является первой, успешно продемонстрировавшей подход перехода от двуокиси углерода непосредственно к целевым продуктам, а именно этанолу и этилену, с эффективностью преобразования энергии, сравнимой с естественными аналогами.Исследователи добились этого, оптимизировав каждый компонент фотоэлектрическо-химической системы для уменьшения потерь напряжения и создав новые материалы, когда существующих не хватало.
«Это захватывающее событие», — сказал главный исследователь Джоэл Эджер, ученый из лаборатории Беркли, работавший совместно в отделах материаловедения и химических наук. «Поскольку повышение уровня CO2 в атмосфере меняет климат Земли, необходимость в разработке устойчивых источников энергии становится все более насущной. Наша работа показывает, что у нас есть реальный путь к производству топлива непосредственно из солнечного света».Путь от солнца к топливу является одной из ключевых целей Объединенного центра искусственного фотосинтеза (JCAP), центра энергетических инноваций Министерства энергетики США, созданного в 2010 году для продвижения исследований солнечного топлива. Исследование проводилось в кампусе JCAP в Беркли.
Первоначальное внимание в исследованиях JCAP было сосредоточено на эффективном расщеплении воды в процессе фотосинтеза. В значительной степени выполнив эту задачу с помощью нескольких типов устройств, ученые JCAP, занимающиеся сокращением углекислого газа с помощью солнечной энергии, начали нацеливаться на достижение эффективности, аналогичной показанной для расщепления воды, которую многие считают следующей большой проблемой в искусственном фотосинтезе.Другая исследовательская группа в лаборатории Беркли решает эту проблему, уделяя особое внимание конкретному компоненту фотоэлектрической и электрохимической системы.
В опубликованном сегодня исследовании они описывают новый катализатор, который может обеспечить конверсию двуокиси углерода в полуглерод с использованием рекордно низких затрат энергии.Не только на полденьДля этого исследования JCAP исследователи спроектировали полную систему для работы в разное время дня, а не только при уровне световой энергии, равном освещению в 1 солнце, что эквивалентно пику яркости в полдень в солнечный день. Они изменили яркость источника света, чтобы показать, что система остается эффективной даже в условиях низкой освещенности.
Когда исследователи соединили электроды с кремниевыми фотоэлектрическими элементами, они достигли эффективности преобразования солнечной энергии от 3 до 4 процентов при освещении от 0,35 до 1 солнца. Изменение конфигурации на высокопроизводительный тандемный солнечный элемент, соединенный в тандеме, обеспечил эффективность преобразования в углеводороды и оксигенаты, превышающую 5 процентов при освещении одним солнцем.«Когда мы достигли 5 процентов, мы немного потанцевали в лаборатории», — сказал Агер, который также работает адъюнкт-профессором в отделе материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли.
Среди новых компонентов, разработанных исследователями, — медно-серебряный нанокоральный катод, который восстанавливает диоксид углерода до углеводородов и оксигенатов, и анод из нанотрубок из оксида иридия, который окисляет воду и создает кислород.«Приятная особенность нанокорала в том, что он, как и растения, может производить целевые продукты в широком диапазоне условий, и он очень стабилен», — сказал Агер.Исследователи охарактеризовали материалы в Национальном центре электронной микроскопии в Molecular Foundry, офисе Министерства энергетики США в лаборатории пользователя Беркли.
Результаты помогли им понять, как металлы функционируют в биметаллическом катоде. В частности, они узнали, что серебро помогает восстанавливать углекислый газ до окиси углерода, в то время как медь извлекает оттуда энергию для дальнейшего восстановления окиси углерода до углеводородов и спиртов.В поисках лучшего, менее энергичного разрыва
Поскольку углекислый газ — это стабильно стабильная молекула, его расщепление обычно требует значительных затрат энергии.«Для сокращения выбросов CO2 в конечный углеводородный продукт, такой как этанол или этилен, может потребоваться до 5 вольт от начала до конца», — сказал ведущий автор исследования Гурудаял, научный сотрудник лаборатории Беркли. «Наша система снизила это вдвое, сохранив при этом селективность продуктов».
Примечательно, что электроды хорошо работали в воде с нейтральным pH.«Исследовательские группы, работающие над анодами, в основном делают это в щелочных условиях, поскольку для анодов обычно требуется среда с высоким pH, что не идеально для растворимости CO2», — сказал Гурудаял. «Очень сложно найти анод, который работал бы в нейтральных условиях».Исследователи адаптировали анод, выращивая нанотрубки из оксида иридия на поверхности оксида цинка, чтобы создать более однородную площадь поверхности для лучшей поддержки химических реакций.
«Так тщательно проработав каждый шаг, эти исследователи продемонстрировали уровень производительности и эффективности, который люди не считали возможным на тот момент», — сказала химик Berkeley Lab Фрэнсис Хоул, заместитель директора JCAP по науке и интеграции исследований, которая не участвовала исследования. «Это большой шаг вперед в разработке устройств для эффективного сокращения выбросов CO2 и испытания новых материалов, и он обеспечивает четкую основу для будущего развития полностью интегрированных устройств для снижения выбросов CO2, работающих на солнечной энергии».