Σύνοψη
- Επιστήμονες του Yale δημιούργησαν την πρώτη αυτόνομη συσκευή που λειτουργεί ως «τεχνητό φύλλο», παράγοντας υγρή μεθανόλη με μοναδικά συστατικά το ηλιακό φως, το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα (CO2).
- Το νέο σύστημα είναι 32 φορές πιο αποδοτικό στη μετατροπή ηλιακής ενέργειας σε μεθανόλη σε σχέση με προηγούμενες τεχνολογίες τεχνητής φωτοσύνθεσης.
- Η επιτυχία βασίζεται σε έναν ετερογενή μοριακό ηλεκτροκαταλύτη (με χρήση φθαλοκυανίνης του κοβαλτίου) που επιτρέπει μια διαδικασία αναγωγής 6 ηλεκτρονίων, μετατρέποντας το CO2 απευθείας σε μεθανόλη.
- Χρησιμοποιείται ένα φωτοηλεκτρόδιο με μικροπυλώνες πυριτίου, επικαλυμμένο με άνθρακα φουλερενίου, για βέλτιστη μεταφορά ηλεκτρονίων.
- Η μέθοδος δεσμεύει το CO2 από την ατμόσφαιρα και δημιουργεί ένα εναλλακτικό, καθαρό υγρό καύσιμο, ιδανικό για μελλοντική βιομηχανική χρήση.
Η δυνατότητα της επιστήμης να αναπαράγει με τεχνητά μέσα τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης μόλις πέρασε σε νέο επίπεδο. Ερευνητική ομάδα υπό την καθοδήγηση χημικών του Πανεπιστημίου Yale σχεδίασε και κατασκεύασε την πρώτη αυτόνομη συσκευή η οποία παράγει υγρό καύσιμο (συγκεκριμένα μεθανόλη) χρησιμοποιώντας αποκλειστικά το ηλιακό φως, το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Το project, το οποίο χρηματοδοτήθηκε από το κέντρο ερευνών CHASE (Center for Hybrid Approaches in Solar Energy to Liquid Fuels) των ΗΠΑ, εισάγει νέα δεδομένα στην αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας.
Η παραγωγή συνθετικών καυσίμων αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα τεχνολογικά στοιχήματα των τελευταίων ετών, καθώς συνδυάζει την παραγωγή ενέργειας με τη δέσμευση των αερίων του θερμοκηπίου. Μέχρι σήμερα, οι διαθέσιμες τεχνολογίες τεχνητών φύλλων αντιμετώπιζαν σοβαρά προβλήματα αποδοτικότητας και περιορίζονταν κυρίως στην παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα ή συνθετικού αερίου. Το νέο τεχνητό φύλλο του Yale καταφέρνει να αυξήσει την απόδοση μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε μεθανόλη κατά 32 φορές σε σχέση με το προηγούμενο ρεκόρ.
Πώς λειτουργεί το τεχνητό φύλλο παραγωγής μεθανόλης;
Το τεχνητό φύλλο του Yale αξιοποιεί ένα εξειδικευμένο φωτοηλεκτρόδιο πυριτίου και έναν μοριακό καταλύτη με βάση το κοβάλτιο. Η διάταξη απορροφά ηλιακή ακτινοβολία, διασπά το νερό και εγχέει 6 ηλεκτρόνια ανά μόριο CO2, μετατρέποντας άμεσα το επιβλαβές αέριο του θερμοκηπίου σε υγρή μεθανόλη.
Η τεχνολογική υπέρβαση της ομάδας χωρίζεται σε δύο βασικούς πυλώνες. Ο πρώτος είναι η σύνθεση ενός μοναδικού μοριακού ετερογενή καταλύτη, ο οποίος χαρακτηρίζεται έτσι επειδή η μορφή του είναι στερεή μέσα σε υγρό ηλεκτρολύτη, και το ενεργό του τμήμα έχει αυστηρά καθορισμένη μοριακή δομή.
Η ομάδα κατάφερε να αγκιστρώσει μεμονωμένα μόρια φθαλοκυανίνης του κοβαλτίου (ή παραγώγων της) πάνω στην επιφάνεια νανοσωλήνων άνθρακα, οι οποίοι λειτουργούν ως οπτικές ίνες αλλά για ηλεκτρόνια, προσφέροντας ταχεία και συνεχή μεταφορά ηλεκτρονίων στα σημεία της κατάλυσης. Αποτέλεσμα αυτής της αρχιτεκτονικής είναι η επίτευξη μιας διαδικασίας «αναγωγής έξι ηλεκτρονίων», δηλαδή έξι ηλεκτρόνια εγχέονται ταυτόχρονα σε ένα μόνο μόριο CO2. Πριν από αυτή την ανακάλυψη, η περιορισμένη παροχή ηλεκτρονίων (αναγωγή δύο ηλεκτρονίων) περιόριζε τη μετατροπή του CO2 αποκλειστικά σε προϊόντα όπως το μονοξείδιο του άνθρακα.
Μικροπυλώνες πυριτίου και άνθρακας φουλερενίου
Ο δεύτερος πυλώνας της διάταξης είναι το φωτοηλεκτρόδιο. Το σύστημα αποτελείται από μια διάταξη μικροπυλώνων πυριτίου, το οποίο καλύπτεται από ένα λεπτό στρώμα άνθρακα φουλερενίου. Αυτός ο σχεδιασμός δεν είναι τυχαίος, αλλά παρέχει την ιδανική γεωμετρία για την παραγωγή και το διαχωρισμό φορτίων, δημιουργώντας μια προσαρμοσμένη διεπαφή για τη μεταφορά ηλεκτρονίων. Επιπλέον, αυξάνει εκθετικά την επιφάνεια στην οποία μπορεί να αγκιστρωθεί ο καταλύτης.
Ο συνδυασμός του εξειδικευμένου καταλύτη και του νέου φωτοηλεκτροδίου οδήγησε στην πιο αποδοτική φωτοηλεκτροκαταλυτική μετατροπή CO2 σε μεθανόλη με βάση το πυρίτιο που έχει καταγραφεί ποτέ στην επιστημονική βιβλιογραφία. Όπως αναφέρει ο Bo Shang, χρειάστηκαν πέντε χρόνια δοκιμών μέσα από το πρόγραμμα CHASE για να χτιστεί η συσκευή από το μηδέν, μετατρέποντας το concept σε ένα πλήρως λειτουργικό και αυτόνομο εργαστήριο παραγωγής καυσίμου.
Με τη ματιά του Techgear
Η έρευνα του Yale είναι τεχνολογικά εντυπωσιακή επειδή αντιμετωπίζει δύο προβλήματα με μία συσκευή, αφού δεσμεύει το CO2 λειτουργώντας πρακτικά ως σύστημα Direct Air Capture (DAC) και το αξιοποιεί αντί να το θάψει υπογείως. Η αύξηση της αποδοτικότητας κατά 32 φορές (σε σχέση με συστήματα που παράγουν αλκοόλες) ακούγεται τεράστια, ωστόσο η μετάβαση από τον πάγκο ενός πανεπιστημιακού εργαστηρίου στη μαζική βιομηχανική παραγωγή παραμένει η βασικότερη πρόκληση.
Η κατασκευή μικροπυλώνων πυριτίου και η ευρεία χρήση νανοσωλήνων άνθρακα με φθαλοκυανίνη του κοβαλτίου δεν είναι τουλάχιστον σήμερα φθηνές διαδικασίες παραγωγής. Για να καταστεί η τεχνολογία εμπορικά βιώσιμη, το επόμενο βήμα απαιτεί σημαντική μείωση του κόστους των υλικών ή δημιουργία μεθόδων φθηνότερης επίστρωσης του καταλύτη σε μεγάλη κλίμακα. Το σημαντικό, ωστόσο, είναι πως αποδείχθηκε εργαστηριακά ότι το concept της άμεσης φωτοκαταλυτικής μετατροπής σε υγρό καύσιμο με διαδικασία 6 ηλεκτρονίων δουλεύει.
