При производстве многих химических веществ, важных для здоровья и комфорта человека, потребляются ископаемые виды топлива, что способствует процессам добычи, выбросам углекислого газа и изменению климата. Новый подход использует солнечный свет для преобразования отработанного углекислого газа в эти необходимые химические вещества, потенциально снижая выбросы двумя способами: за счет использования нежелательного газа в качестве сырья и солнечного света, а не ископаемого топлива, в качестве источника энергии, необходимой для производства.
Этот процесс становится все более осуществимым благодаря достижениям в катализаторах, активируемых солнечным светом, или фотокатализаторах. В последние годы исследователи разработали фотокатализаторы, которые разрывают прочную двойную связь между углеродом и кислородом в диоксиде углерода. Это важный первый шаг в создании «солнечных» нефтеперерабатывающих заводов, которые производят полезные соединения из отходящего газа, включая «платформенные» молекулы, которые могут служить сырьем для синтеза таких разнообразных продуктов, как лекарства, моющие средства, удобрения и текстиль.
Фотокатализаторы обычно представляют собой полупроводники, которым требуется ультрафиолетовый свет высокой энергии для генерации электронов, участвующих в преобразовании диоксида углерода. Тем не менее, ультрафиолетовый свет и недостаточен (составляет всего 5 процентов солнечного света), и вреден. Поэтому разработка новых катализаторов, которые работают в более обильном и благоприятном видимом свете, является основной целью. Это требование удовлетворяется путем тщательной разработки состава, структуры и морфологии существующих катализаторов, таких как диоксид титана. Хотя он эффективно преобразует углекислый газ в другие молекулы исключительно в ответ на ультрафиолетовый свет, легирование его азотом значительно снижает энергию, необходимую для этого. Измененному катализатору теперь нужен только видимый свет для получения широко используемых химикатов, таких как метанол, формальдегид и муравьиная кислота, которые в совокупности важны для производства клеев, пен, фанеры, краснодеревщиков, полов и дезинфицирующих средств.
В настоящее время химические исследования солнечной энергии проводятся в основном в академических лабораториях, в том числе в Объединенном центре искусственного фотосинтеза, управляемом Калифорнийским технологическим институтом в партнерстве с Национальной лабораторией Лоуренса Беркли; базирующееся в Нидерландах сотрудничество университетов, промышленности и научно-исследовательских и технологических организаций под названием Sunrise consortium; и отдел гетерогенных реакций в Институте химического преобразования энергии Макса Планка в Мюльхайме, Германия. Некоторые стартапы работают над другим подходом к превращению углекислого газа в полезные вещества, а именно с применением электричества для запуска химических реакций. Очевидно, что использование электричества для питания реакций было бы менее экологически чистым, чем использование солнечного света, если бы электричество было получено от сжигания ископаемого топлива, но использование фотоэлектрических элементов могло бы преодолеть этот недостаток.