Технология «два в одном», которая может спасти планету

Фотосинтез: фундаментальный механизм жизни на этой планете, бич студентов-биологов GCSE, а теперь и потенциальный способ борьбы с изменением климата. Ученые усердно работают над разработкой искусственного метода, который имитирует то, как растения используют солнечный свет для преобразования CO2 и воды в то, что мы можем использовать в качестве топлива. Если это сработает, для нас это будет беспроигрышный сценарий: мы не только получим выгоду от возобновляемой энергии, производимой таким образом, но это также может стать важным способом снижения уровня CO2 в атмосфере.

Однако растениям потребовались миллиарды лет, чтобы развить фотосинтез, и повторить то, что происходит в природе, не всегда легко. На данный момент основные этапы искусственного фотосинтеза работают, но не очень эффективно. Хорошей новостью является то, что исследования в этой области набирают обороты, и по всему миру есть группы, делающие шаги по использованию этого целостного процесса.

Двухэтапный фотосинтез

Фотосинтез – это не только улавливание солнечного света. Ящерица, купающаяся под теплым солнцем, может это сделать. Фотосинтез развился у растений как способ улавливать и хранить эту энергию («фото») и преобразовывать ее в углеводы («синтез»). Растения используют ряд белков и ферментов, питаемых солнечным светом, для высвобождения электронов, которые, в свою очередь, используются для преобразования CO2 в сложные углеводы. По сути, искусственный фотосинтез происходит по тем же этапам.

«При естественном фотосинтезе, который является частью естественного углеродного цикла, в растение поступает свет, CO2 и вода, а растение производит сахар», — объясняет Фил Де Луна, кандидат наук, работающий на кафедре электротехники и вычислительной техники в Университете. Университет Торонто. «В искусственном фотосинтезе мы используем неорганические устройства и материалы. Фактическая часть сбора солнечной энергии выполняется солнечными элементами, а часть преобразования энергии — электрохимическими (реакциями в присутствии) катализаторами».

Что действительно привлекает в этом процессе, так это возможность производить топливо для долгосрочного хранения энергии. Это намного больше, чем могут сделать нынешние возобновляемые источники энергии, даже с появлением новых аккумуляторных технологий. Если, например, не светит солнце или не ветрено, солнечные панели и ветряные электростанции просто перестают производить энергию. «Для длительного сезонного хранения и хранения сложных видов топлива нам нужно лучшее решение», — говорит Де Луна. «Батареи отлично подходят для повседневной жизни, для телефонов и даже для автомобилей, но мы никогда не будем эксплуатировать Боинг 747 с батареей».

Проблемы, которые необходимо решить

Когда дело доходит до создания солнечных батарей – первого шага в процессе искусственного фотосинтеза – у нас уже есть технология: системы солнечной энергии. Однако современные фотоэлектрические панели, которые обычно представляют собой системы на основе полупроводников, относительно дороги и неэффективны по сравнению с природными. Необходима новая технология; тот, который тратит гораздо меньше энергии.

Гэри Гастингс и его команда из Государственный университет Джорджии, Атлантавозможно, наткнулся на отправную точку, изучая первоначальный процесс у растений. В фотосинтезе решающим моментом является перемещение электронов на определенное расстояние в клетке. Проще говоря, это движение, вызванное солнечным светом, которое позже преобразуется в энергию. Гастингс показал, что этот процесс очень эффективен по своей природе, поскольку эти электроны не могут вернуться в исходное положение: «Если электрон возвращается туда, откуда он пришел, то солнечная энергия теряется». Хотя такая возможность редко встречается у растений, она случается довольно часто с солнечными панелями, что объясняет, почему они менее эффективны, чем настоящие.

Гастингс полагает, что это «исследование, вероятно, будет способствовать развитию технологий солнечных батарей, связанных с производством химикатов или топлива», но он сразу же отмечает, что на данный момент это всего лишь идея, и этот прогресс вряд ли произойдет в ближайшее время. «Что касается изготовления полностью искусственной технологии солнечных батарей, разработанной на основе этих идей, я считаю, что эта технология находится в более отдаленном будущем, и, вероятно, не в ближайшие пять лет, даже для прототипа».

Одна из проблем, которую исследователи считают, что мы близки к решению, связана со вторым этапом процесса: преобразованием CO2 в топливо. Поскольку эта молекула очень стабильна и для ее разрушения требуется невероятное количество энергии, искусственная система использует катализаторы, чтобы снизить требуемую энергию и ускорить реакцию. Однако этот подход несет в себе ряд проблем. За последние десять лет было предпринято множество попыток использовать катализаторы из марганца, титана и кобальта, но длительное использование оказалось проблемой. Теория может показаться хорошей, но они либо перестают работать через несколько часов, становятся нестабильными, замедляются или запускают другие химические реакции, которые могут повредить клетку.

Но сотрудничество между канадскими и китайскими исследователями, похоже, сорвало куш. Они нашли способ объединить никель, железо, кобальт и фосфор для работы при нейтральном pH, что значительно облегчает эксплуатацию системы. «Поскольку наш катализатор может хорошо работать в электролите с нейтральным pH, что необходимо для восстановления CO2, мы можем проводить электролиз восстановления CO2 в (а) безмембранной системе, и, следовательно, напряжение можно уменьшить», — говорит Бо Чжан из Департамент макромолекулярных наук Фуданьского университета, Китай. Благодаря впечатляющему преобразованию электрической энергии в химическую (64%), команда теперь является рекордсменом по самой высокой эффективности систем искусственного фотосинтеза.

«Самая большая проблема с тем, что мы имеем сейчас, — это масштаб»

Благодаря своим усилиям команда вышла в полуфинал конкурса NRG COSIA Carbon XPRIZE, который мог принести им 20 миллионов долларов на исследования. Цель состоит в том, чтобы «разработать прорывные технологии, которые преобразуют выбросы CO2 от электростанций и промышленных объектов в ценную продукцию», и благодаря их улучшенным системам искусственного фотосинтеза у них есть хорошие шансы.

Следующая задача – масштабирование. «Самая большая проблема с тем, что мы имеем сейчас, — это масштаб. Когда мы расширяемся, мы в конечном итоге теряем эффективность», — говорит Де Луна, который также участвовал в исследовании Чжана. К счастью, исследователи не исчерпали свой список улучшений и теперь пытаются сделать катализаторы более эффективными за счет разных составов и различных конфигураций.

Победа на двух фронтах

Конечно, еще есть возможности для улучшения как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе, но многие считают, что искусственный фотосинтез имеет потенциал стать важным инструментом в качестве чистой и устойчивой технологии будущего.

«Это невероятно интересно, потому что поле движется так быстро. С точки зрения коммерциализации мы находимся на переломном этапе», — говорит Де Луна, добавляя, что, сработает ли это, «будет зависеть от множества факторов, включая государственную политику и принятие отраслью технологии возобновляемой энергетики. ».

Таким образом, правильное понимание науки – это на самом деле только первый шаг. Вслед за исследованиями таких ученых, как Гастингс и Чжан, произойдет решающий шаг по включению искусственного фотосинтеза в нашу глобальную стратегию в области возобновляемых источников энергии. Ставки высоки. Если это удастся, мы выиграем на двух фронтах – не только в производстве топлива и химической продукции, но и в сокращении выбросов углекислого газа в процессе.