Исследователи из Центра гибридных подходов в области солнечной энергетики и жидкого топлива (CHASE) в США определили, что использование трехмерных кремниевых каркасов на фотоэлектродах повышает выход продукции, когда солнечный свет используется для превращения углекислого газа в топливо.
CHASE - это консорциум, созданный Министерством энергетики США, в состав которого входят исследователи из некоторых ведущих американских университетов, включая Принстон и Йель.
Поскольку человечество стремится снизить свою зависимость от ископаемого топлива, возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия, активно используются для удовлетворения потребностей в электроэнергии во многих частях мира. Однако тяжелая промышленность и такие сферы применения, как дальнемагистральный транспорт, не могут функционировать за счет энергии аккумуляторных батарей и нуждаются в высококалорийном топливе, которое может заменить дизельное топливо и бензин.
Точно так же, как листья при солнечном свете превращают углекислый газ (CO2) и воду в пищу, ученые стремятся разработать подход к выработке из углекислого газа энергии с использованием обильных источников света. Использование такого газа, как CO2, выгодно вдвойне, поскольку снижает концентрацию парникового газа в атмосфере, а также обеспечивает надежный источник энергии, такой как метанол, получаемый с использованием солнечного света. Ученые называют его жидким солнечным топливом.
На сегодняшний день ученые успешно производят жидкое солнечное топливо с использованием кремниевых фотоэлектродов. Процесс основан на нанесении катализаторов на поверхность кремния, которые могут поглощать свет и запускать необходимую химическую реакцию. В присутствии воды CO2 может быть преобразован в метанол или даже в монооксид углерода (CO), который служит исходной молекулой для синтеза широкого спектра других полезных продуктов.
Несмотря на то, что ученые десятилетиями знали о кремнии с большой площадью поверхности, он никогда не использовался в фотоэлектродах для производства жидкого солнечного топлива. Исследовательская группа из CHASE впервые предприняла такую попытку и получила многообещающие результаты. Команда из CHASE создав фотоэлектроды из кремниевого материала с большой площадью поверхности, изучила катализаторы на молекулярном уровне и поняла их роль в проведении химических реакций.
В установке, где кобальт использовался в качестве катализатора и наносился на кремний, который использовался в трехмерном формате в виде микрополяров, исследователи обнаружили, что метанол был получен с более высокой плотностью тока, что потенциально привело к созданию современного фотоэлектрода, который можно было бы использовать для производство жидкого топлива в будущем.
В рамках другого подхода катализатор был заменен с кобальтового на рениевый после его встраивания в нанопористый кремний. Полученный таким образом гибридный фотоэлектрод продемонстрировал более высокую долговечность и селективность, поскольку он восстанавливал CO2 до метанола, что является важным фактором при расширении масштабов и коммерциализации технологии. Эксперименты продемонстрировали преимущества использования кремния с высокой поверхностью при создании фотоэлектродов.
Как отмечают исследователи, с дальнейшим технологическим прогрессом недалек тот день, когда мы сможем создать замкнутый цикл использования топлива и выработки электроэнергии, используя только CO2, воду и солнечный свет.
Как сообщается, эта работа была в основном поддержана в рамках проекта CHASE, Центра энергетических инноваций, финансируемого Научным отделом фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики (DOE) США. Финансирование оборудования, использованного в этом исследовании, было предоставлено Министерством энергетики США, Национальными институтами здравоохранения США, Управлением научных исследований ВВС и Национальным научным фондом. Работа по определению характеристик АСМ проводилась при поддержке Национального научного фонда США и Американо-израильского двустороннего научного фонда.