Rydder op i den mørke side af kunstige blade

Mens kunstige blade lover som en måde at tage kuldioxid - en potent drivhusgas - ud af atmosfæren, der er en "mørk side af kunstige blade, som er blevet overset i mere end et årti, " ifølge Meenesh Singh, assisterende professor i kemiteknik ved University of Illinois ved Chicago College of Engineering.

Kunstige blade virker ved at omdanne kuldioxid til brændstof og vand til ilt ved hjælp af energi fra solen. De to processer foregår hver for sig og samtidigt på hver side af en solcellecelle:Ilten produceres på den "positive" side af cellen og brændstof produceres på den "negative" side.

Singh, hvem er den tilsvarende forfatter til et nyt papir i ACS Applied Energy Materials , siger, at nuværende kunstige blade er vildt ineffektive. De ender med at omdanne kun 15 % af den kuldioxid, de optager, til brændstof og frigive 85 % af det, sammen med iltgas, tilbage til atmosfæren.

"De kunstige blade, vi har i dag, er ikke rigtig klar til at opfylde deres løfte som kulstoffangstløsninger, fordi de ikke fanger så meget kuldioxid, og faktisk frigiver størstedelen af ​​den kuldioxidgas, de optager fra den iltudviklende 'positive' side, " sagde Singh.

Grunden til, at kunstige blade frigiver så meget kuldioxid tilbage til atmosfæren, har at gøre med, hvor kuldioxiden går hen i den fotoelektrokemiske celle.

Når kuldioxid kommer ind i cellen, det bevæger sig gennem cellens elektrolyt. I elektrolytten, den opløste kuldioxid bliver til bikarbonatanioner, som bevæger sig over membranen til den "positive" side af cellen, hvor der produceres ilt. Denne side af cellen har en tendens til at være meget sur på grund af opsplitning af vand i iltgas og protoner. Når bicarbonat-anionerne interagerer med den sure elektrolyt på den anodiske side af cellen, kuldioxid produceres og frigives med iltgas.

Singh bemærkede, at et lignende fænomen med kuldioxidfrigivelse, der forekommer i det kunstige blad, kan ses i køkkenet, når bagepulver (hydrogencarbonatopløsning) blandes med eddike (sur opløsning) for at frigive et brus af kuldioxidbobler.

For at løse dette problem, Singh, i samarbejde med Caltech-forskerne Meng Lin, Lihao Han og Chengxiang Xiang, udtænkt et system, der bruger en bipolær membran, der forhindrer bicarbonat-anionerne i at nå den "positive" side af bladet, mens de neutraliserer den producerede proton.

Membranen placeret mellem de to sider af den fotoelektrokemiske celle holder kuldioxiden væk fra den sure side af bladet, forhindrer dens flugt tilbage til atmosfæren. Kunstige blade ved hjælp af denne specialiserede membran omdannede 60 % til 70 % af den kuldioxid, de optog, til brændstof.

"Vores fund repræsenterer endnu et skridt i at gøre kunstige blade til virkelighed ved at øge udnyttelsen af ​​kuldioxid, " sagde Singh.

Tidligere i år, Singh og kolleger udgav et papir i ACS Sustainable Chemistry &Engineering, hvor de foreslog en løsning på et andet problem med kunstige blade:nuværende modeller bruger tryksat kuldioxid fra tanke, ikke atmosfæren.

Han foreslog en anden specialiseret membran, der ville gøre det muligt for bladene at fange kuldioxid direkte fra atmosfæren. Singh forklarer, at denne idé, sammen med resultaterne rapporteret i denne aktuelle publikation om brugen af ​​flere af kuldioxid-fangsten, skal hjælpe med at gøre kunstig bladteknologi fuldt implementerbar.