Sol-til-brændstof-systemet genbruger CO2 for at lave ethanol og ethylen

Forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udnyttet fotosyntesens magt til at omdanne kuldioxid til brændstoffer og alkoholer ved en effektivitet, der er langt større end planter. Præstationen markerer en væsentlig milepæl i bestræbelserne på at bevæge sig mod bæredygtige brændstofkilder.

Mange systemer har med succes reduceret kuldioxid til kemiske og brændstofprækursorer, såsom carbonmonoxid eller en blanding af carbonmonoxid og brint kendt som syngas. Dette nye værk, beskrevet i en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Energi- og miljøvidenskab , er den første til med succes at demonstrere tilgangen til at gå fra kuldioxid direkte til målprodukter, nemlig ethanol og ethylen, på energikonverteringseffektiviteter, der konkurrerer med naturlige modparter.

Forskerne gjorde dette ved at optimere hver komponent i et fotovoltaisk-elektrokemisk system for at reducere spændingstab, og skabe nye materialer, når de eksisterende ikke var tilstrækkelige.

"Dette er en spændende udvikling, " sagde studielederforsker Joel Ager, en Berkeley Lab -videnskabsmand med fælles ansættelser inden for materialevidenskaberne og de kemiske videnskabsafdelinger. "Når stigende atmosfæriske CO2 -niveauer ændrer Jordens klima, behovet for at udvikle bæredygtige magtkilder er blevet stadig mere presserende. Vores arbejde her viser, at vi har en sandsynlig vej til at lave brændstoffer direkte fra sollys. "

Denne sol-til-brændstof-vej er blandt de centrale mål for Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), en DOE Energy Innovation Hub etableret i 2010 for at fremme forskning i solenergi. Undersøgelsen blev udført på JCAPs Berkeley Lab campus.

JCAP-forskningens første fokus var at tackle den effektive spaltning af vand i fotosynteseprocessen. Efter stort set at have opnået denne opgave ved hjælp af flere typer enheder, JCAP-forskere, der laver soldrevet kuldioxidreduktion, begyndte at sætte deres mål på at opnå effektivitetsgevinster svarende til dem, der blev demonstreret for vandopdeling, af mange anses for at være den næste store udfordring inden for kunstig fotosyntese.

En anden forskergruppe på Berkeley Lab tackler denne udfordring ved at fokusere på en bestemt komponent i et fotovoltaisk-elektrokemisk system. I en undersøgelse offentliggjort i dag, de beskriver en ny katalysator, der kan opnå kuldioxid til multicarbon omdannelse ved hjælp af rekordlave energitilførsler.

Ikke kun til middag

Til denne JCAP-undersøgelse, forskere konstruerede et komplet system til at fungere på forskellige tidspunkter af dagen, ikke kun ved et lysenerginiveau med 1-sols belysning, hvilket svarer til toppen af ​​lysstyrke ved høj middag på en solskinsdag. De varierede lyskildens lysstyrke for at vise, at systemet forblev effektivt selv under dårlige lysforhold.

Da forskerne koblede elektroderne til fotovoltaiske siliciumceller, de opnåede solkonverteringseffektiviteter på 3 til 4 procent for 0,35 til 1-sols belysning. Ændring af konfigurationen til en højtydende, tandem solcelle forbundet i tandem gav en konverteringseffektivitet til kulbrinter og oxygenater på mere end 5 procent ved 1-sol belysning.

"Vi dansede lidt i laboratoriet, da vi nåede 5 procent, sagde Ager, der også har en ansættelse som adjungeret professor ved UC Berkeleys materialevidenskabelige og tekniske afdeling.

Blandt de nye komponenter udviklet af forskerne er en kobber-sølv nanokoral katode, som reducerer kuldioxiden til kulbrinter og oxygenater, og en iridiumoxid-nanorøranode, som oxiderer vandet og skaber ilt.

"Det fine træk ved nanokoralen er, at som planter, det kan fremstille målprodukterne over en bred vifte af forhold, og den er meget stabil, sagde Ager.

Forskerne karakteriserede materialerne ved National Center for Electron Microscopy på Molecular Foundry, en DOE Office of Science User Facility på Berkeley Lab. Resultaterne hjalp dem med at forstå, hvordan metallerne fungerede i den bimetalliske katode. Specifikt, de lærte, at sølv hjælper med at reducere kuldioxid til kulilte, mens kobberet opsamles derfra for at reducere kulilte yderligere til kulbrinter og alkoholer.

Søger bedre, lavenergi-opbrud

Fordi kuldioxid er et stædigt stabilt molekyle, at bryde det op indebærer typisk et betydeligt input af energi.

"At reducere CO2 til et kulbrinte -slutprodukt som ethanol eller ethylen kan tage op til 5 volt, begynde til slut, " sagde studielederforfatter Gurudayal, postdoc ved Berkeley Lab. "Vores system reducerede det med det halve, mens produkternes selektivitet bibeholdtes."

Især elektroderne fungerede godt i vand, et neutralt pH-miljø.

"Forskningsgrupper, der arbejder på anoder, gør det for det meste ved hjælp af alkaliske forhold, da anoder typisk kræver et miljø med høj pH, som ikke er ideel til opløseligheden af ​​CO2, " sagde Gurudayal. "Det er meget svært at finde en anode, der fungerer under neutrale forhold."

Forskerne tilpassede anoden ved at dyrke iridiumoxidnanorørene på en zinkoxidoverflade for at skabe et mere ensartet overfladeareal for bedre at understøtte kemiske reaktioner.

"Ved at gennemgå hvert trin så omhyggeligt, disse forskere demonstrerede et niveau af ydeevne og effektivitet, som folk ikke troede var muligt på dette tidspunkt, " sagde Berkeley Lab kemiker Frances Houle, JCAP vicedirektør for videnskab og forskningsintegration, som ikke var en del af undersøgelsen. "Dette er et stort skridt fremad i designet af enheder til effektiv CO2-reduktion og test af nye materialer, og det giver en klar ramme for den fremtidige udvikling af fuldt integrerede solcelledrevne CO2-reduktionsenheder."