Імітоване сонячне світло заряджає сонячну батарею, яка перетворює

двоокис вуглецю в атмосфері безпосередньо на синтез-газ.

“Новий сонячний елемент нефотоелектричний – він фотосинтетичний”, – говорить Амін Салехі-Хоїн, доцент кафедри механічного та промислового будівництва в Університеті штату Іллінойс у Чикаго і старший автор дослідження.

“Замість того, щоб виробляти енергію в нестійкою односторонньої маршрут від викопного палива до парникового газу, тепер ми можемо повністю змінити процес і утилізація атмосферного вуглецю в паливо за допомогою сонячного світла”, – сказав він.

У той час як заводи виробляють паливо у вигляді цукру, штучний лист забезпечує синтез-газ або синтез-газ, суміш газоподібного водню і окису вуглецю. Синтетичний газ може бути спалений безпосередньо або перетворені в дизельне паливо або інші вуглеводневі палива.

Здатність перетворювати CO2 на паливо за ціною, порівнянною з галон бензину зробило б викопного палива застарілими.

Хімічні реакції, які перетворюють CO2 в вигоряючими форм вуглецю називаються реакції відновлення, протилежність окислення або спалювання. Інженери досліджували різні каталізатори для приводу скорочення викидів CO2, але до сих пір такі реакції були неефективними і покладаються на дорогих дорогоцінних металів, таких як срібло, сказав Салехі-Хоїн.

“Те, що нам потрібно було нове сімейство хімічних речовин з незвичайними властивостями”, – сказав він.

Салехі-Хоїн і його колеги зосередилися на сім’ї наноструктурованих сполук, які називаються перехідними металами діхалькогеніди – або кривими спадання поперечного намагнічування (TMDC) – у якості каталізаторів, їх сполучення з нестандартним іонної рідини в якості електроліту всередині двокамерного, три електрода електрохімічної комірки.

Кращими з кількох каталізаторів, які вони вивчали, виявилися наночастки вольфраму діселеніда.

“Новий каталізатор активніший; більш здатні розірвати хімічні зв’язки двоокису вуглецю”, – сказав постдокторант-дослідник Університету штату Іллінойс у Чикаго Мохаммад Асад, провідний автор журналу “Наука” (Science).

Насправді, за його словами, новий каталізатор у 1000 разів швидше, ніж благородних металів каталізаторів – і приблизно у 20 разів дешевше.

Інші дослідники використовували каталізатори TMDC для отримання водню за допомогою інших засобів, а не шляхом скорочення СО2. Каталізатор не міг витримати реакцію.

“Активні ділянки каталізатора отруїтися і окислюється”, – сказав Салехі-Хоїн. Прорив, сказав він, повинен був використовувати іонну рідину, звану етил-метил-імідазолу тетрафторборат, змішаний з водою у співвідношенні 50 на 50.

“Поєднання води й іонної рідини робить співкаталізатор, який зберігає активні ділянки каталізатором у суворих умовах реакції відновлення”, – сказав Салехі-Хоїн.

Штучний лист Університету штату Іллінойс у Чикаго складається із двох кремнієвих потрійний стик фотогальванічних осередків 18 квадратних сантиметрів, щоб зібрати світло; вольфрамова діселеніда й іонна система співкаталізатор рідина на стороні катода; і оксид кобальту в фосфатному електроліті калію на стороні анода.

Коли світло 100 Вт на квадратний метр – близько середньої інтенсивності, що досягає поверхні Землі – заряджає енергією клітини, водень і монооксид вуглецю газових бульбашок вгору від катода, в той час як вільні іони кисню і водню на аноді.

“Іони водню дифундують через мембрану в бік катода, брати участь в реакції відновлення діоксиду вуглецю”, – сказав Асад.

Технологія повинна бути адаптована не тільки до широкомасштабного використання, як і сонячних ферм, а й для невеликих додатків, сказав Салехі-Хоїн. У майбутньому, за його словами, це може виявитися корисним на Марсі, чия атмосфера в основному вуглекислий газ, якщо планета також встановлено, що є вода.

“Ця робота отримав вигоду з значною історії підтримки фундаментальних досліджень Державного наукового фонду, який живить безпосередньо в цінні технологій і технічних досягнень”, – сказав директор програми цього фонду Роберт МакКейб.

“Результати добре зливатися експериментальні і розрахункові дослідження, щоб отримати нове розуміння унікальних електронних властивостей перехідних металів діхалькогенідах”, – сказав МакКейб. “Дослідницька група об’єднала це механіцістскіе розуміння з деякою розумної електрохімічної інженерії, щоб домогтися істотного прогресу в одному з великих викликів каталізу, як пов’язані з перетворенням енергії і навколишнього середовища”.

“Наноструктурні діхалькогенідні електрокаталізатори перехідних металів для скорочення викидів CO2 в іонну рідину” можна знайти в Інтернеті в журналі “Наука” (Science).

Співавтори Асада і Салехі-Хоїна: Кібум Кім, Адітья Венката Аддепаллі, Педрам Аббасі, Пойа Ясаей, Амірхусейн Бехрангініа, Біяндра Кумар і Єремія Абіаде з механічного та промислового інженерного відділу Університету штату Іллінойс у Чикаго, які виконали електрохімічні експерименти і приготували каталізатор згідно з угодою конбет-1512647; Роберт Ф. Клі і Патрік Філліпс відділу фізики Університету штату Іллінойс у Чикаго, який виконав електронної мікроскопії та спектроскопії експерименти; Ларрі А. Куртісс, Лю Цун і Пітер Запілля з Аргонської національної лабораторії, який зробив розрахунки функціонала щільності теорії щодо контракту з Департаментом енергетики DE-ACO206CH11357; Річард Хааш з Університету штату Іллінойс в Урбана-Шампейн, він зробив ультрафіолетової фотоелектронної спектроскопії; і Хосе М. Серрато з Університету Нью-Мексико, який зробив елементний аналіз.