Bardziej zielony „sztuczny liść”

Fotosynteza, naturalny sposób przekształcania światła słonecznego w paliwo, dzieje się wokół nas, od liści na drzewie po najmniejsze źdźbło trawy. Jednak znalezienie sposobu na tanie i skuteczne naśladowanie tej zdolności wprawia inżynierów w zakłopotanie od dziesięcioleci.

Liście, które nie są zielone: Krzem pokryty niedrogimi katalizatorami rozdziela wodę na wodór i tlen w podświetlanym pojemniku z wodą.

Teraz naukowcy zrobili krok w kierunku tego nieuchwytnego wyczynu, dzięki urządzeniu, które jest jeszcze wydajniejsze niż naturalna fotosynteza i opiera się na tanich, obfitych materiałach.

Konwencjonalne ogniwa słoneczne wytwarzają energię elektryczną, gdy materiał fotowoltaiczny jest wystawiony na działanie światła. Nowe urządzenie idzie o krok dalej, wykorzystując powstałą energię elektryczną do rozdzielenia wody na wodór i tlen, które można przechowywać i wykorzystywać do wytwarzania energii elektrycznej za pomocą ogniwa paliwowego.

Nowe urządzenie jest wciąż na wczesnym etapie opracowywania laboratoryjnego, a zanim będzie mogło zostać skomercjalizowane, pozostają poważne wyzwania.

Daniel Nocera , profesor MIT, ujawnił wstępne szczegóły urządzenia, które nazywa pierwszym praktycznym sztucznym liściem, na krajowym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego w Kalifornii 27 marca. Urządzenie łączy dostępne w handlu ogniwo słoneczne z parą niedrogich katalizatory z kobaltu i niklu, które dzielą wodę na tlen i wodór. Stosując to podejście, panel słoneczny o powierzchni około jednego metra kwadratowego zanurzony w wodzie mógłby wyprodukować wystarczającą ilość wodoru, aby zaopatrzyć dom w kraju rozwijającym się w energię elektryczną zarówno w dzień, jak i w nocy, mówi Nocera.

Używając cienkowarstwowego krzemowego ogniwa słonecznego, które przekształca energię w światło z 7-procentową wydajnością, Nocera twierdzi, że jego grupa osiągnęła 5-procentową wydajność konwersji światła słonecznego w wodór. Naturalna fotosynteza jest mniej niż 1% wydajna w przekształcaniu światła słonecznego w energię.

Urządzenie nie jest pierwszym, które próbuje ulepszyć naturalną fotosyntezę. Ma jednak wyraźne zalety w porównaniu z poprzednimi urządzeniami, które albo wykorzystywały kosztowne katalizatory z metali szlachetnych do rozdzielania wody na wodór i tlen, albo przeprowadzały rozdzielanie wody pośrednio za pomocą oddzielnego urządzenia, które jest mniej wydajne i droższe.

Urządzenie Nocera jest pierwszym, w którym zastosowano niedrogie i powszechnie dostępne materiały katalityczne, które są wbudowane w ogniwo słoneczne. Po prostu mamy kawałek krzemu pokryty katalizatorami, który można włożyć do szklanki wody i zaczyna on rozszczepiać wodę na wodór i tlen – mówi.

Urządzenie jest możliwe dzięki kilku niedawnym postępom. Nocera po raz pierwszy opracowała katalizator kobaltowy zdolny do oddzielania tlenu z wody w 2008 roku, ale katalizatora nie można było nakładać bezpośrednio na krzem, ponieważ blokowałby wchodzące światło słoneczne. W swoim nowym urządzeniu Nocera nałożył na krzem cienką warstwę kobaltu, która blokuje tylko 2-3 procent wchodzącego światła. Przed nałożeniem katalizatora pokrył krzem cienką membraną, która chroni go przed utlenianiem, ale umożliwia przepływ prądu elektrycznego.

Nowatorski katalizator na bazie niklu, również opracowany niedawno przez Nocera, jest nakładany na drugą stronę krzemu, aby oddzielić wodór od wody. Katalizatory niklowe stosowane już w innych urządzeniach do rozdzielania wody, znanych jako elektrolizery, szybko stałyby się bezużyteczne z powodu obecności w wodzie fosforanów i boranów. Wyniki wstępnych testów urządzenia zostały przekazane do publikacji. Pokazują, że może działać przez co najmniej sześć dni bez spadku wydajności, mówi Nocera.

John Turner , pracownik naukowy w National Renewable Energy Laboratory w Golden w Kolorado, mówi, że możliwość zastosowania praktycznie przezroczystego katalizatora kobaltowego jest kluczowym postępem, a zgłoszona wydajność jest obiecująca. „Uzyskuje większość wydajności z celi”, mówi Turner. Jeśli [zaczyna od] 11-12-procentowej komórki, która jest dostępna na rynku, powinien być w stanie działać znacznie lepiej. Ale musielibyśmy zobaczyć, co może zrobić, gdy dostanie lepszą komórkę.

Turner mówi jednak, że Nocera będzie musiała wykazać znacznie dłuższe czasy pracy — dziesiątki tysięcy godzin. Mogą mieć wytrzymałość, ale muszą nadal to okazywać, mówi.

Sun Catalytix , firma założona przez Nocera, będzie teraz współpracować z indyjskim gigantem przemysłowym Tata, aby skomercjalizować technologię do użytku domowego w krajach rozwijających się. Firmy już współpracują nad opracowaniem kolejnego urządzenia do sztucznej fotosyntezy, opracowanego wcześniej przez Nocera. To początkowe urządzenie będzie oparte na 100-watowym panelu słonecznym i będzie wymagało osobnego elektrolizera połączonego przewodami z panelem. Powinien sprzedać się za około 100 dolarów.

Urządzenie musiałoby być również połączone z ogniwem paliwowym, aby zamienić zmagazynowany wodór w energię elektryczną. Nocera mówi, że ma nadzieję, że dostarczy Tata to pierwsze, zasilane energią słoneczną urządzenie wytwarzające wodór do końca 2011 roku. Nowy sztuczny liść powinien być tańszy, ale może upłynąć jeszcze dwa i pół roku, zanim komercyjny prototyp będzie gotowy. mówi Nocera.

James Stevens, pracownik naukowy w Dow Chemical, mówi, że technologia ma jeszcze długą drogę do przebycia. Jest wiele do zrobienia, zanim będzie to praktyczne, mówi. Wydajność jest niska, a koszty kapitałowe tych rzeczy są bardzo wysokie.

Inne praktyczne kwestie, takie jak bezpieczne przechowywanie gazowego wodoru i zapobieganie zamarzaniu systemu w temperaturach ujemnych, również stanowią istotne wyzwania, mówi Stevens. Nie interesuje nas obecny stan wiedzy, mówi.

ukryć