Uniwersytet Yale promuje badania nad zrównoważonymi paliwami zasilanymi energią słoneczną

W ramach projektu CHASE opracowywana jest nowa generacja paliw płynnych aktywowanych światłem słonecznym, a badacze z Yale pomagają wyznaczać kierunki tego rozwoju.

W ciągu ostatniej dekady badania podstawowe mające na celu produkcję zrównoważonych paliw płynnych zasilanych energią słoneczną osiągnęły punkt zwrotny. Nowe materiały półprzewodnikowe mogą skutecznie wychwytywać światło słoneczne i katalizować konwersję dwutlenku węgla w cenne produkty, takie jak paliwa płynne. Często jednak stworzenie pojedynczego produktu jest trudne. Katalizatory molekularne mogą tworzyć pojedynczy produkt w postaci dwutlenku węgla (CO2), ale nie są trwałe. Dlatego wielu naukowców twierdzi, że żadna z tych metod nie nadaje się do produkcji na dużą skalę.

Istnieje jednak trzecia metodologia, która obecnie zaczyna się wyłaniać. Chemicy uczestniczący w Centrum Metod Hybrydowych Energii Słonecznej (CHASE) na Uniwersytecie Yale łączą nowe materiały półprzewodnikowe z nowymi katalizatorami molekularnymi w solidniejszych i usprawnionych procesach, które mogą być skalowalne w celu szerszego zastosowania.

To obiecujące nowe podejście, opisane w dwóch niedawnych badaniach, stanowi podejście „najlepsze z obu światów”, które może prowadzić do powstania przełomowych produktów na bazie paliw alternatywnych, które mają dodatkową zaletę polegającą na usuwaniu dwutlenku węgla z powietrza – twierdzą naukowcy.

„Te dwa artykuły dają mi wielką nadzieję, że podejście hybrydowe może się sprawdzić” – powiedziała Eleanor Stewart-Jones, absolwentka Wydziału Chemii Yale i współautorka jednego z badań. „Zdecydowanie znajdujemy nowe sposoby na poprawę lub zwiększenie zaangażowania”.

Prawie tuzin wykładowców i doktorantów Yale należy do Chase, finansowanego ze środków federalnych centrum badań nad energią słoneczną, składającego się z sześciu amerykańskich instytucji badawczych i mającego siedzibę na Uniwersytecie Karoliny Północnej w Chapel Hill. Misją projektu CHASE jest przyspieszenie badań, które mogłyby doprowadzić do produkcji paliw płynnych ze światła słonecznego, wody, azotu i dwutlenku węgla.

W skład zespołu Yale wchodzą Nilay Hazare, profesor chemii John Randolph Hoffman; James Mayer, Charlotte Fitch Roberts profesor chemii; oraz Heiliang Wang, profesor chemii, wszyscy z College of Arts and Sciences.

„Inspirujące było obserwowanie zaangażowania, jakie nasi studenci, doktoranci i koledzy z instytucji partnerskich wkładają w tę pracę” – powiedział Wang. „Każde nowe odkrycie przybliża nas do opracowania technologii potrzebnej do uzyskania praktycznych paliw słonecznych”.

Doświadczenia badawcze Yale są głównym tematem dwóch nowych badań CHASE, obydwu opublikowanych w czasopiśmie Journal of the American Chemical Society. Koncentrują się na fotoelektrodach na bazie krzemu, czyli elementach akumulatorów słonecznych, które wychwytują światło słoneczne i przekształcają je w energię elektryczną.

W Pierwsze badanieKierując się laboratorium Wanga na Uniwersytecie Yale i laboratorium Tianquan Lian na Uniwersytecie Emory, naukowcy zbudowali elektrodę składającą się z szeregu krzemowych mikrofilarów, pokrytych warstwą superhydrofobowego fluorowanego węgla.

Strategia ta zwiększyła całkowitą powierzchnię elektrody i doprowadziła do znacznego wzrostu aktywności katalitycznej. „Zaobserwowaliśmy znaczny wzrost, aż 17 razy większy niż poprzedni rekord dla krzemowych elektrod fotonicznych” – powiedział Bo Zhang, absolwent chemii na Uniwersytecie Yale i współautor pierwszego badania.

Podejście to zaowocowało najbardziej wydajną, kiedykolwiek widzianą, fotokatalityczną konwersją dwutlenku węgla ze światła słonecznego do metanolu na bazie krzemu. Metanol jest bezbarwnym, płynnym paliwem alternatywnym.

Do Drugie badanieLaboratoria Mayer i Hazare na Uniwersytecie Yale współpracowały nad procesem obejmującym cienkie arkusze porowatego krzemu, formę krzemu wytrawionego kanałami zwanymi nanoporami. Naukowcy dołączyli molekularny katalizator renowy do tych chipów elektrod.

„Według naszej wiedzy jest to pierwszy raz, kiedy ktoś przymocował katalizator molekularny do porowatego krzemu” – powiedział Stuart Jones, absolwent w laboratorium Mayera i współpierwszy autor badania.

Powstała reakcja chemiczna, wywołana światłem słonecznym, przekształca dwutlenek węgla w tlenek węgla w bardziej spójny i powtarzalny sposób niż w przypadku, gdy katalizatory molekularne są sprzężone z płaskim, nieporowatym krzemem.

„Udało nam się unieruchomić skuteczny katalizator redukcji dwutlenku węgla na krzemowym materiale pochłaniającym energię słoneczną” – powiedział Xiaofan Jia, badacz ze stopniem doktora w laboratorium Hazari i kolejny współautor badania. „Dzięki temu urządzenie może bezpośrednio wykorzystywać energię słoneczną do produkcji paliwa”.

Podsumowując, oba badania podkreślają różnorodność i kreatywność projektu Chase, powiedział Wang.

„W tych dwóch zakładach opracowywane są fotoelektrody do redukcji dwutlenku węgla przy użyciu krzemu i katalizatora molekularnego, ale stosują one bardzo różne podejścia” – powiedział Wang.