Исследователи из Мичиганского университета разработали новую систему искусственного фотосинтеза, которая может связывать два атома углерода вместе в углеводород (химическая формула – C2H4), превращая углекислый газ и воду в этилен, что является шагом на пути к получению солнечного топлива. Этот метод продемонстрировал замечательную способность производить этилен в большом количестве и стабильно по сравнению с другими системами искусственного фотосинтеза, используемыми в настоящее время.
Хотя этилен - это хорошее начало, исследователи стремятся связать более длинные цепочки атомов углерода и водорода в одну группу, чтобы получать жидкое топливо. Исследователи также намерены удалить CO2 из атмосферы с помощью этого метода, что в конечном итоге сделает ее чище и качественнее. Системы искусственного фотосинтеза существуют уже некоторое время, и исследователи по всему миру намерены использовать их для получения полностью возобновляемой энергии из CO2, присутствующего в нашей атмосфере. У них есть и другие применения, такие как потенциальная замена существующих систем производства кислорода на космических станциях, которые в настоящее время требуют значительных затрат энергии.
Система, разработанная исследователями Мичиганского университета, поглощает свет через два вида полупроводников: лес нанопроволок из нитрида галлия, каждая шириной всего в 50 нанометров (несколько сотен атомов), и кремниевую основу, на которой они были выращены. Согласно пресс-релизу Мичиганского университета, реакция превращения воды и углекислого газа в этилен происходит на медных кластерах, каждый из которых содержит около 30 атомов расположенных нанопроволок.
Система мичиганских исследователей доказала свою эффективность экспериментальным путем. Процесс начинался с того, что нанопроволоки погружались в воду, обогащенную углекислым газом, и подвергались воздействию света, эквивалентного солнечному в полдень. Энергия света высвобождает электроны, которые расщепляют воду вблизи поверхности нанопроволок из нитрида галлия. При этом образуется водород, который служит топливом для реакции этилена, а также кислород, который нитрид галлия поглощает, превращаясь в оксид нитрида галлия.
“Медь хорошо связывается с водородом и углеродом диоксида углерода, превращая его в монооксид углерода", - говорится в пресс-релизе. Команда считает, что две молекулы монооксида углерода, входящие в состав водорода и получающие энергию от света, соединяются с водородом”, - говорится в пресс-релизе.
Исследователи обнаружили, что 61% свободных электронов, генерируемых полупроводниками под воздействием света, участвуют в реакции с образованием этилена. Другой катализатор на основе серебра и меди достигал аналогичной эффективности примерно в 50%, его необходимо было использовать в жидкости на основе углерода, и он мог функционировать всего несколько часов, после чего разлагался.
Устройство, разработанное командой из Мичигана, проработало 116 часов без сбоев. Более того, устройство производило этилен в четыре раза быстрее, чем системы их конкурентов. “В будущем мы хотим производить и другие многоуглеродные соединения, такие как пропанол с тремя атомами углерода или жидкие продукты”, - сказал Бинсин Чжан, младший научный сотрудник U-M в области электротехники и вычислительной техники и первый автор статьи в журнале Мичиганского университета.
Указанное исследование было опубликовано в журнале Nature. Как отмечают американские эксперты, фотоэлектрохимический синтез ценных многоуглеродных продуктов из углекислого газа, солнечного света и воды является многообещающим способом получения экологически чистой энергии и обеспечения углеродной нейтральности. Однако создание и стабилизация эффективных узлов С–С-связи для получения многоуглеродных продуктов с высокой селективностью, выходом и стабильностью - сложная задача. В данной работе исследователи разработали низкокоординированный катализатор на основе кластеров меди, межфазно связанный in situ с фотокатодом из нанопроволоки GaN, что позволило достичь высокой фарадеевской эффективности этилена, равной ≈61%, и парциальной плотности тока 14,2 мА/см2, при высокой стабильности ≈116 ч. Было подтверждено, что самооптимизированная на месте поверхность раздела Ga-N–O способствует упрочнению и стабилизации окисленных на границе раздела частиц меди в медных кластерах, которые функционируют как эффективные места соединения C–C для производства этилена. Кроме того, эффект GaN, обеспечивающий подачу водорода для ускорения гидрирования CO, также определяет простой способ соединения C-C с участием CHO. Как отмечается в публикации Nature, эта работа проливает свет на понимание эффективного и стабильного электросинтеза (фото) высокоценного топлива из CO2.
