Mesterséges levél oldhatja meg az emberiség két nagy problémáját is
A Yale Egyetem kutatói jelentős áttörést értek el a mesterséges fotoszintézis területén. Egy olyan „mesterséges levél” koncepcióját alkották meg, amely kizárólag napfény, víz és szén-dioxid felhasználásával potenciális üzemanyagot állít elő.
A természet már évmilliárdok óta hatékonyan használja a Nap energiáját. A fotoszintézis során a növények, algák és egyes baktériumok a napfény energiáját kémiai energiává alakítják át: szén-dioxidból és vízből cukrokat állítanak elő, miközben oxigént bocsátanak ki a légkörbe. A kutatók pedig szorgosan és elég régóta dolgoznak azon, hogy ezt a folyamatot mesterségesen is lemásolják, és az így megkötött energiát közvetlenül hasznosítható formában tárolják. Most a Yale Egyetem vezetésével dolgozó kutatócsoport jelentős lépést tett ebbe az irányba. Kísérleteik eredménye egy olyan „mesterséges levél, amely napfény, víz és szén-dioxid felhasználásával közvetlenül folyékony metanolt állít elő.
A mesterséges levélről röviden:
- A Yale Egyetem kutatói olyan mesterséges levelet fejlesztettek, amely napfényből, vízből és szén-dioxidból metanolt állít elő.
- A rendszer a természetes fotoszintézis működését utánozza, de közvetlenül folyékony üzemanyagot termel.
- Az áttörést egy speciális CO₂-metanol katalizátor és egy új, szilíciumalapú fotoelektróda tette lehetővé.
- A fejlesztés hosszú távon segíthet a szén-dioxid hasznosításában és a fenntartható folyékony üzemanyagok előállításában.
A fejlesztésben a University of North Carolina at Chapel Hill, a North Carolina State University és a University of Pennsylvania kutatói is részt vettek, a munkát pedig a CHASE (Center for Hybrid Approaches in Solar Energy to Liquid Fuels) kutatási program támogatta. A mesterséges fotoszintézist alkalmazó korábbi rendszerek jellemzően elektromos áramot termeltek, vagy csak egyszerűbb vegyületek előállítására voltak alkalmasak.
Az új eszköz azonban közvetlenül folyékony üzemanyagot hoz létre, ráadásul külső energiaforrás nélkül.
A kutatók szerint a rendszer a korábbi, alkoholalapú üzemanyagokat előállító mesterséges levél-technológiákhoz képest 32-szer hatékonyabban alakítja át a napfényt metanollá.
Mitől működik a mesterséges levél?
A siker egyik kulcsa egy különleges katalizátor, amelyet a Yale kutatói már 2019-ben bemutattak. Ez a rendszer képes a szén-dioxidot és a vizet metanollá alakítani egy összetett reakció során. A katalizátor működésének alapját kobalt-ftalocianin molekulák adják, amelyeket szén nanocsövek felületére rögzítettek. A nanocsövek rendkívül gyors elektronvezetőként viselkednek, így folyamatosan biztosítják a reakcióhoz szükséges elektronokat. Ennek eredményeként a metanoltermelés jóval hatékonyabbá válik.
A másik fontos fejlesztés egy új fotoelektróda, amelyet Bo Shang doktorandusz dolgozott ki. Az eszköz mikroszkopikus szilíciumoszlopokból áll, amelyeket fullerénalapú szénréteggel vontak be. Ez a különleges szerkezet hatékonyabban választja szét a töltéshordozókat, javítja az elektronátadást, és nagyobb reakciófelületet biztosít a katalizátor számára. A kutatók szerint ezzel sikerült létrehozni az egyik leghatékonyabb szilíciumalapú fotoelektrokatalitikus rendszert a szén-dioxid metanollá alakítására.
A technológia jelentős környezetvédelmi előnyöket is kínál
A folyamatban az a legnagyszerűbb, hogy a szén-dioxid nem a megszokott szerepben, problémaként vagy hulladékként jelenik meg, hanem épp ellenkezőleg: értékes nyersanyaggá válik. A keletkező metanol pedig fontos ipari alapanyag, emellett egyre nagyobb szerepet kap alternatív üzemanyagként is, különösen a hajózásban. További előnye, hogy folyékony halmazállapotú, ezért még a jelenlegi üzemanyag-infrastruktúrában is viszonylag könnyen tárolható és szállítható.
Bár az ipari méretű alkalmazás még évekre lehet, az eredmények azt mutatják, hogy a mesterséges fotoszintézis valódi szerepet kaphat a jövő energiaellátásában. Egy olyan technológia körvonalazódik, amely egyszerre segíthet csökkenteni a légkört terhelő szén-dioxid mennyiségét és fenntartható, alacsonyabb környezetterhelésű üzemanyagokat előállítani.
Ha a kutatók tovább tudják javítani a rendszer hatásfokát és tartósságát, a mesterséges levél a jövő egyik fontos klíma- és energiatechnológiai megoldásává válhat.
Nyitókép: Nataliya Rodenko / Shutterstock (illusztráció)
forrás: Interesting Engineering
