O frunză artificială care folosește lumina solară pentru a produce substanțe chimice valoroase este creată de oamenii de știință

O frunză artificială care folosește lumina solară pentru a produce substanțe chimice valoroase este creată de oamenii de știință. Liquid Sunlight Alliance este o colaborare între mai multe instituții care își propun să dezvolte instrumentele necesare pentru a folosi energia solară în producerea de combustibili lichizi.

Cercetătorii au construit un dispozitiv bazat pe perovskit și cupru care transformă dioxidul de carbon în produse C2: substanțe chimice de bază pentru nenumărate produse din viața noastră de zi cu zi, de la polimeri pentru materiale plastice până la combustibil pentru avioane.

O frunză artificială, creată de cercetători

Această cercetare de tip „proof of concept” deschide noi oportunități pentru domeniul cercetării energetice.

Cercetători de la Laboratorul Național Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) din cadrul Departamentului de Energie al SUA, împreună cu colaboratori internaționali, ne-au adus cu un pas mai aproape de utilizarea energiei solare pentru a converti dioxidul de carbon în combustibil lichid și alte substanțe chimice valoroase.

Într-o lucrare publicată recent în Nature Catalysis, cercetătorii prezintă un sistem autonom de producere a compușilor carbon-carbon (C2), care combină puterea catalitică a cuprului cu perovskitul, un material folosit în panourile solare fotovoltaice.

Această realizare este rezultatul a peste 20 de ani de cercetări și aduce comunitatea științifică mai aproape de replicarea eficienței unei frunze verzi din natură.

100 de oameni de știință au fost implicați

Această lucrare face parte dintr-o inițiativă mai amplă Liquid Sunlight Alliance (LiSA), un centru de inovație energetică finanțat de Departamentul de Energie al SUA prin programul Fuels from Sunlight Energy Innovation Hub.

Condusă de Caltech în strânsă colaborare cu Berkeley Lab, LiSA reunește peste 100 de oameni de știință din laboratoare naționale precum SLAC și Laboratorul Național pentru Energie Regenerabilă, precum și parteneri universitari de la UC Irvine, UC San Diego și Universitatea din Oregon.

Cercetătorii implicați în această colaborare au făcut progrese în dezvoltarea înțelegerii și a instrumentelor necesare pentru obținerea combustibililor lichizi generați din lumină solară, dioxid de carbon și apă.

„Natura a fost inspirația noastră”, a spus Peidong Yang, cercetător senior în Divizia de Științe ale Materialelor din cadrul Berkeley Lab și profesor de chimie și știința materialelor la UC Berkeley, implicat în studiul publicat. „A trebuit să lucrăm mai întâi la fiecare componentă individuală, dar când le-am adus împreună și am realizat că funcționează, a fost un moment extrem de emoționant.”

Frunza artificială imită o frunză naturală

Pentru a construi un sistem care imită fotosinteza, Yang și echipa sa au urmat procesele naturale care au loc în frunza unei plante. Fiecare componentă a elementelor fotosintetice a trebuit să fie replicată și perfecționată. Bazându-se pe decenii de cercetări, oamenii de știință au folosit absorbanți de lumină pe bază de perovskit de halură de plumb pentru a imita clorofila frunzelor.

Și, inspirați de enzimele care reglează fotosinteza în natură, au proiectat electrocatalizatori din cupru, având forma unor mici flori.

Experimentele anterioare au reușit să reproducă fotosinteza folosind materiale biologice, însă această cercetare a folosit un material anorganic — cuprul. Deși selectivitatea cuprului este mai mică decât cea a alternativelor biologice, utilizarea sa aduce avantajul unui sistem mai durabil, mai stabil și de lungă durată pentru frunza artificială.

Cercetători din cadrul proiectului LiSA au dezvoltat componentele catodului și anodului pentru noul dispozitiv. Instrumentele de la Molecular Foundry din cadrul Berkeley Lab au permis echipei lui Yang să integreze dispozitivul cu contacte metalice.

În timpul experimentelor din laboratorul lui Yang, un simulator solar a fost folosit pentru a testa selectivitatea dispozitivului în condiții de luminozitate constantă.

CO₂ se transformă în C2 cu ajutorul Soarelui

Inovațiile anterioare din diverse grupuri de cercetare au permis realizarea unei reacții de oxidare organică în camera fotoanodului și crearea de produse C2 în camera fotocatodului. Această descoperire a dus la crearea unei arhitecturi realiste de frunză artificială, într-un dispozitiv de dimensiunea unui timbru poștal. Acesta convertește CO₂ într-o moleculă C2 folosind exclusiv lumina solară, potrivit newscenter.lbl.gov.

Produsele chimice C2 obținute cu acest dispozitiv sunt ingrediente de bază pentru numeroase industrii care produc obiecte de uz cotidian — de la polimeri pentru materiale plastice la combustibili pentru vehicule mari, cum ar fi avioanele, care nu pot funcționa încă pe baterii.

Bazându-se pe această realizare fundamentală, Yang își propune acum să crească eficiența sistemului și să mărească dimensiunea frunzei artificiale, pentru a crește astfel scalabilitatea soluției.

Citește și: Sângele de stridie, noua generație de antibiotice? Descoperire senzațională în lumea farmaceutică