جستجوی سوخت خورشیدی: سیستم جدید فتوسنتز مصنوعی CO2 را به اتیلن تبدیل می‌کند
پژوهشگران دانشگاه میشیگان یک سیستم جدید فتوسنتز مصنوعی توسعه داده‌اند که می‌تواند دو اتم کربن را به یک هیدروکربن متصل کند.
محصول حاصل اتیلن (فرمول شیمیایی –؛ C 2 H 4 ) است و این روش توانایی بالایی در تولید کارآمد، فراوان و پایدار اتیلن نسبت به سایر سیستم‌های فتوسنتز مصنوعی کنونی دارد.
اگرچه اتیلن یک شروع خوب است، پژوهشگران قصد دارند زنجیره‌های طولانی‌تر از اتم‌های کربن و هیدروژن را به هم متصل کنند تا سوخت‌های مایع تولید کنند.
پژوهشگران همچنین قصد دارند CO2 را از جو از این طریق بردارند، که در بلندمدت پاک‌تر و بهتر است.
سیستم‌های فتوسنتز مصنوعی
سیستم‌های فتوسنتز مصنوعی مدتی است که وجود دارند و پژوهشگران در سراسر جهان قصد دارند از آن برای تولید انرژی کاملاً تجدیدپذیر از CO2 موجود در جو استفاده کنند.
این سیستم کاربردهای دیگری نیز دارد، از جمله احتمالاً جایگزین‌کردن سیستم‌های فعلی تولید اکسیژن در ایستگاه‌های فضایی که در حال حاضر نیاز به ورودی‌های انرژی قابل توجهی دارند.
سیستمی که توسط پژوهشگران دانشگاه میشیگان توسعه یافته، نور را از طریق دو نوع نیمه‌رسانا جذب می‌کند: یک جنگل از نانوسیم‌های نیترید گالیم، هر کدام تنها ۵۰ نانومتر (چند صد اتم) پهن، و پایه سیلیکونی که روی آن‌ها رشد کرده‌اند.
واکنشی که آب و دی‌اکسید کربن را به اتیلن تبدیل می‌کند در خوشه‌های مسی، هر کدام با حدود ۳۰ اتم، که نانوسیم‌ها را پوشانده‌اند، انجام می‌شود، طبق یک بیانیه از دانشگاه.
سیستم پژوهشگران میشیگانی موثر واقع شد
این فرآیند با غوطه‌ور کردن نانوسیم‌ها در آب غنی شده از دی‌اکسید کربن و قرار دادن آن‌ها در معرض نور معادل آفتاب در ظهر آغاز می‌شود.
انرژی نور الکترون‌هایی را آزاد می‌کند که آب را در نزدیکی سطح نانوسیم‌های نیترید گالیم می‌شکند. این هیدروژن برای تغذیه واکنش اتیلن، اما همچنین اکسیژن تولید می‌کند که نیترید گالیم جذب کرده و به نیترید گالیم اکسید تبدیل می‌کند.
“مس خوبی در نگهداری هیدروژن و گرفتن کربن دی‌اکسید دارد، و آن را به مونوکسید کربن تبدیل می‌کند. با هیدروژنی که در ترکیب داریم و تزریق انرژی از نور، تیم تحقیقاتی معتقد است که دو مولکول مونوکسید کربن با هیدروژن به هم متصل می‌شوند” به گفته این بیانیه.
پژوهشگران دریافتند که ۶۱٪ از الکترون‌های آزاد تولید شده توسط نیمه‌رساناها با نور به واکنش برای تولید اتیلن کمک کردند.
در حالی که یک کاتالیزور متفاوت بر اساس نقره و مس به کارایی مشابهی در حدود ۵۰٪ دست یافت، نیاز داشت که در یک مایع پایه کربن کار کند و تنها چند ساعت قبل از کاهش کارآیی عمل کند.
دستگاه تیم میشیگان بدون کاهش سرعت برای ۱۱۶ ساعت کار کرد، و تیم دستگاه‌های مشابهی برای ۳۰۰۰ ساعت آزمایش کرده است.
علاوه بر این، دستگاه اتیلن را با نرخی بیش از چهار برابر سریع‌تر از نزدیک‌ترین سیستم‌های رقابتی تولید کرد.
“در آینده، ما می‌خواهیم ترکیبات کربنی چند‌گانه دیگر مانند پروپانول با سه کربن یا محصولات مایع تولید کنیم”، گفت بینگ‌ژینگ ژانگ، دانشمند پژوهشی کمکی در مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه میشیگان و نویسنده اصلی مقاله.
این مطالعه در مجله طبیعت منتشر شده است.
چکیده
سنتز فوتوالکتروشیمیایی محصولات چند کربنی ارزشمند از دی‌اکسید کربن، نور خورشید و آب یک مسیر امیدوارکننده برای تولید انرژی پاک و خنثی‌سازی کربن است. با این حال، ایجاد و تثبیت سایت‌های اتصال کربن-کربن که کارآمد و پایدار باشند چالش برانگیز است تا محصولات چند کربنی با انتخاب‌پذیری، بازده و پایداری بالا تولید شوند. در اینجا ما یک کاتالیزور خوشه مسی با هماهنگی کم طراحی کردیم که به‌طور درجا به فتوکاتد نانوسیم GaN متصل شده است، با دستیابی به بازده فرادائیک اتیلن بالای ∼۶۱٪ و چگالی جریان جزیی ۱۴.۲ mA cm−۲، با پایداری قوی در حدود ∼۱۱۶ ساعت. رابط درجا بهینه‌شده خود-بهینه Ga–N–O تأیید شده تا گونه‌های مسی رابطی اکسید‌شده مسی خوشه‌ها را تسهیل و پایدار کند، که به عنوان سایت‌های اتصال کربن-کربن کارآمد برای تولید اتیلن عمل می‌کنند. علاوه بر این، اثر تغذیه هیدروژنی GaN برای پیشبرد هیدروژناسیون CO نیز مسیر اتصال کربن-کربن با CHO را هدایت می‌کند. این کار نور بر طراحی رابتی و درک سنتز فوتوالکتروشیمیایی کارآمد و پایدار سوخت‌های ارزشمند از CO2 انداخته است.
