Годами ученые работают над созданием устройств, способных имитировать фотосинтез — процесс, с помощью которого растения преобразуют солнечный свет и углекислый газ в энергию. Эти так называемые «искусственные листья» используют солнечный свет для расщепления воды на кислород и водород, которые затем можно использовать для заправки автомобилей или выработки электроэнергии. Недавно исследовательская группа поставила перед собой более амбициозную цель: создание более энергоемкого топлива.
Промышленность уже почти столетие производит синтетическое топливо, комбинируя монооксид углерода (который может быть получен из углекислого газа) и водород при высоких температурах. Однако главная надежда заключается в том, что искусственные листья смогут со временем обеспечить аналогичный синтез, но более устойчивым и эффективным способом, используя при этом энергию Солнца.
Разработанное устройство производит этан и этилен, доказывая, что искусственные листья способны создавать углеводороды. Это открытие может предложить более дешевый и чистый способ производства топлива, химикатов и пластмасс.
Для руководителя исследования Виргила Андрея из Кембриджского университета конечная цель — использовать эту технологию для производства топлива, которое не оставляет вредного углеродного следа после сжигания. Если в процессе используется углекислый газ, уловленный из атмосферы или на электростанциях, получаемое топливо может стать углеродно-нейтральным, что снизит зависимость от постоянной добычи ископаемого топлива.
«В конечном итоге мы хотим иметь возможность использовать углекислый газ для производства топлива и химикатов, необходимых для промышленности и нашей повседневной жизни», — говорит Андрей, соавтор исследования, опубликованного в Nature Catalysis в феврале. «Таким образом, вы имитируете собственный углеродный цикл природы, и вам больше не требуются дополнительные ископаемые ресурсы».
Медные наноцветы
Как и другие искусственные листья, устройство команды использует солнечную энергию для создания химических продуктов. Однако производство углеводородов гораздо сложнее, чем получение водорода, поскольку этот процесс требует больше энергии.
Для достижения этого результата исследователи внедрили несколько инноваций. Первой стало использование специализированного катализатора, состоящего из крошечных медных структур, напоминающих цветы, которые были созданы в лаборатории соавтора Пейдонга Янга из Калифорнийского университета в Беркли. На одной стороне устройства электроны накапливались на поверхностях этих наноцветов. Затем эти электроны использовались для преобразования углекислого газа и воды в ряд молекул, включая этилен и этан — углеводороды, каждый из которых содержит два атома углерода.
Структуры наноцветов настраиваются, и их можно будет адаптировать для получения широкого спектра молекул, отмечает Андрей: «В зависимости от наноструктуры медного катализатора вы можете получить совершенно разные продукты».
На другой стороне устройства команда также разработала более энергоэффективный способ получения электронов, используя нанопроволоки из кремния, поглощающие свет, для переработки глицерина вместо воды, которая используется чаще. Дополнительное преимущество заключается в том, что процесс на основе глицерина может производить полезные соединения, такие как глицерат, лактат и ацетат, которые можно извлекать для использования в косметической и фармацевтической промышленности.
Масштабирование
Хотя пробная система показала свою работоспособность, этот прорыв — лишь первый шаг к созданию коммерчески жизнеспособного источника топлива. Янвэй Лум, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии Национального университета Сингапура, отмечает: «Это исследование показывает, что концепция работает». Однако он добавляет: «Производительность все еще недостаточна для практического применения. Пока не достигнуто».
Андрей утверждает, что устройство должно стать значительно более долговечным и эффективным для внедрения в производство топлива. Но работа движется в правильном направлении.
«Мы добились этого прогресса, потому что рассматривали более нетрадиционные концепции и передовые методы, которые ранее не были доступны, — говорит он. — Я настроен оптимистично, что эта технология может «взлететь» в ближайшие пять-десять лет».
