Учені створили штучний фотосинтез, який може врятувати нас від глобального потепління

Вчені з Мічиганського університету розробили систему штучного фотосинтезу, яка ефективно перетворює вуглекислий газ на етилен, що може сприяти зменшенню викидів парникових газів і виробництву екологічно чистішого палива.

Пристрій використовує нанодроти з нітриду галію і кремнієву основу, демонструючи високу ефективність (61%) і довговічність, що значно перевищує конкурентні системи.

Мета дослідників полягає у створенні довших ланцюжків вуглецю для виробництва рідкого палива, яке буде легко транспортувати й використовувати в існуючих транспортних технологіях.

Експериментальна установка штучного фотосинтезу, який може перетворювати вуглекислий газ і воду на етилен / Сільвія Кардареллі

Учені давно шукають спосіб подолати глобальне потепління. Одним зі таких є витягування вуглекислого газу з повітря й зберігання його в твердому вигляді глибоко під землею або повторне використання в промисловості. Однак це дорого, повільно й вимагає величезних зусиль з розбудови мережі заводів. Нова ідея пропонує схожий підхід, але зі своїми особливостями.

Нова система, розроблена в Мічиганському університеті, ефективно виробляє етилен зі шкідливого парникового газу CO2. Це прокладає шлях до майбутнього сталого виробництва палива й очищення нашого повітря.

Що відомо про новий винахід

Здатність з'єднувати атоми вуглецю в ланцюжки є вирішальним кроком на шляху до повторного використання CO2 для виробництва екологічно чистішого палива. Дослідники розробили штучну систему фотосинтезу, яка може зв'язувати два атоми вуглецю, створюючи з них вуглеводні, з безпрецедентною ефективністю, виходом і довговічністю – приблизно в п'ять-шість разів краще, ніж в інших методах. Оскільки етилен — це вуглеводень, який зазвичай використовується у виробництві пластмас, то прямим застосуванням інноваційної системи може бути збирання вуглекислого газу, який в іншому випадку викидається в атмосферу, для виробництва пластмас.

Етилен насправді є сполукою, яка найбільшою мірою виробляється в світі. Але зазвичай його виробляють з нафти і газу, за високих температур і тиску, що призводить до виділення CO2,
– пишуть дослідники.

Довгострокова мета полягає у створенні ще довших ланцюжків з атомів вуглецю і водню для виробництва рідкого палива, яке можна легко транспортувати. Частково завдання полягає у видаленні всього кисню з молекули CO2 для отримання вуглецю, а також видалення кисню з молекули води, H2O, щоб отримати водень.

Як усе працює

• Пристрій поглинає світло через два види напівпровідників: сукупність нанодротів нітриду галію, кожен з яких завширшки лише 50 нанометрів (кілька сотень атомів), і кремнієву основу, на якій вони були вирощені. Реакція перетворення води і вуглекислого газу на етилен відбувається на мідних кластерах, кожен з яких містить близько 30 атомів, що вкривають нанодроти.
• Нанодроти занурюють у воду, збагачену вуглекислим газом, і опромінюють світлом, еквівалентним сонячному опівдні. Енергія світла вивільняє електрони, які розщеплюють воду біля поверхні нанодротів з нітриду галію. В результаті утворюється водень, який бере участь у реакції етилену, а також кисень, який нітрид галію поглинає, перетворюючись на оксид нітриду галію.
• Мідь добре зв'язується з воднем і захоплює вуглець з вуглекислого газу, перетворюючи його на монооксид вуглецю. За допомогою водню в суміші та ін'єкції енергії від світла, команда вважає, що дві молекули чадного газу зв'язуються разом з воднем. Вважається, що реакція завершується на межі розділу між міддю та оксидом нітриду галію, де два атоми кисню відщеплюються й замінюються трьома атомами водню з розщепленої води.

Ефективність

Команда виявила, що 61% вільних електронів, які напівпровідники генерували за допомогою світла, сприяли реакції з утворення етилену. Хоча інший каталізатор на основі срібла та міді досяг подібної ефективності (близько 50%), він працював у рідині на основі вуглецю і міг функціонувати лише кілька годин, перш ніж руйнувався. На противагу цьому, пристрій команди з Мічигану працював 116 годин без сповільнення, а також команда експлуатувала подібні пристрої протягом 3 000 годин.

Пристрій виробив етилен зі швидкістю, що більш ніж у чотири рази перевищує швидкість найближчих конкуруючих систем. У майбутньому вчені хочуть виробляти деякі інші багатокомпонентні сполуки, такі як пропанол з трьома атомами вуглецю або різні рідкі продукти. Рідке паливо, яке може дозволити багатьом існуючим транспортним технологіям стати більш надійними, є кінцевою метою.

На жаль, стаття не пояснює, як саме збирається вуглекислий газ – прямо з повітря, чи установку треба під'єднувати до потужностей заводів, які викидають газ через свої труби. Якщо другий варіант, що це допоможе уникнути принаймні частини нових викидів, а якщо перший, то ми зможемо збирати з повітря вже існуючі викиди, проте нові нікуди не дінуться.