Штучний лист на сонячній енергії перетворює вуглекислий газ на рідкий метанол

Дослідники з Єльського університету представили інноваційну систему штучного фотосинтезу, здатну перетворювати вуглекислий газ і воду на рідкий метанол виключно завдяки енергії сонця. Розробка може стати важливим кроком на шляху до створення екологічно чистих видів палива та ефективної переробки атмосферного CO₂.

Сонячне світло замість зовнішнього джерела енергії

На відміну від багатьох сучасних технологій отримання синтетичного палива, нова система не потребує підключення до електромережі. Усі необхідні хімічні процеси запускаються під впливом сонячного світла.

За словами розробників, ефективність перетворення сонячної енергії на метанол значно перевищує показники попередніх штучних листків, призначених для виробництва спиртових видів палива.

Такий підхід здатний одночасно вирішувати дві актуальні проблеми: скорочувати обсяги вуглекислого газу в атмосфері та створювати відновлюване рідке паливо для промисловості й транспорту.

Технологія натхненна природним фотосинтезом

Проєкт реалізовано вченими Єльського університету спільно з фахівцями з Університету Північної Кароліни в Чапел-Гілл, Університету штату Північна Кароліна та Пенсильванського університету. Дослідження також проводилося в межах програми CHASE, спрямованої на розробку технологій отримання рідкого палива за допомогою сонячної енергії.

Керівник проєкту, професор хімії Хайлян Ван, зазначив, що під час створення пристрою вчені орієнтувалися на процеси, які відбуваються в природі. Фактично система імітує фотосинтез рослин, але замість накопичення біомаси виробляє готове рідке паливо.

Важливою перевагою метанолу є можливість тривалого зберігання енергії та використання наявної інфраструктури для транспортування палива. Крім того, метанол уже широко застосовується в хімічній промисловості та поступово знаходить використання в енергетиці й морських перевезеннях.

Як влаштований пристрій

Основою технології стали дві ключові розробки, над якими лабораторія професора Вана працювала протягом кількох років.

Перша — високоефективний каталізатор, представлений ще у 2019 році. Він здатний перетворювати вуглекислий газ і воду на метанол за допомогою складної шестиелектронної реакції. Для порівняння, багато попередніх каталізаторів забезпечували лише двоелектронні процеси, обмежуючись отриманням чадного газу та інших простих сполук.

Для створення каталізатора дослідники закріпили молекули фталоціаніну кобальту на вуглецевих нанотрубках. Така конструкція забезпечує швидке перенесення електронів до активних центрів реакції та підвищує ефективність перетворення CO₂.

Друга складова системи — вдосконалений фотоелектрод, розроблений аспірантом Бо Шаном. Його конструкція містить мікроскопічні кремнієві стовпчики з покриттям із фулеренового вуглецю.

Подібна архітектура сприяє ефективнішому розділенню зарядів, покращує транспортування електронів і збільшує площу поверхні, на якій відбуваються хімічні реакції.

Один із найефективніших прототипів

Поєднання каталізатора та нового фотоелектрода дозволило створити одну з найпродуктивніших кремнієвих фотоелектрокаталітичних систем для отримання метанолу, відомих на сьогодні.

Розробка автономного пристрою тривала кілька років. За словами Бо Шана, на початкових етапах проєкту створення повністю самодостатньої системи здавалося надзвичайно складним завданням. Проте успішне отримання палива із сонячного світла, води та вуглекислого газу підтвердило життєздатність концепції.

Перспективи технології

Команда продовжує працювати над підвищенням ефективності та довговічності пристрою. Дослідники вважають, що отримані результати створюють міцну основу для подальшого масштабування технології.

У перспективі подібні системи можуть використовуватися для промислової переробки вуглекислого газу з одночасним виробництвом відновлюваного рідкого палива. Це дозволить знизити викиди парникових газів і підвищити стійкість енергетичного сектору.

Попри те, що до комерційного впровадження ще необхідно вирішити низку технічних завдань, розробка Єльського університету демонструє, що штучний фотосинтез поступово виходить за межі лабораторних експериментів і наближається до практичного застосування в енергетиці майбутнього.