Hybrydowe fotoelektrody przyspieszają wytwarzanie paliwa słonecznego
Wytwarzanie paliwa słonecznego zakłada wykorzystanie sztucznego lub naturalnego światła w procesie przekształcania występujących w dużych ilościach, stabilnych cząsteczek, takich jak woda lub dwutlenek węgla (CO2), w wysokoenergetyczne związki chemiczne. Ten proces fotoelektrochemiczny jest szczególnie atrakcyjną techniką zrównoważonego pozyskiwania energii, ponieważ w zasadzie wymaga jedynie czerpania energii słonecznej (fotony), udziału wody i/lub CO2 oraz katalizatora. Ponieważ nadal nie nastąpił znaczny przełom techniczny, który umożliwiłby zastosowanie komercyjne tego procesu, Europejska Rada ds. Badań Naukowych wsparła projekt HybridSolarFuels (Efficient Photoelectrochemical Transformation of CO2 to Useful Fuels on Nanostructured Hybrid Electrodes) w nadziei opracowania wysokowydajnego podejścia do tego zagadnienia z wykorzystaniem wieloelementowych fotoelektrod hybrydowych. „Kluczem do zapewnienia wysokiej wydajności konwersji energii słonecznej na chemiczną jest zaprojektowanie granicy faz z pomocą materiałów nanostrukturalnych i zaawansowanych procesów syntezy”, wyjaśnia Csaba Janáky, główny badacz projektu z Uniwersytetu w Szeged na Węgrzech. Kolejnym osiągnięciem projektu jest opracowanie skalowalnych elektrolizerów przepływowych. Chociaż nie uznaje się ich za ogniwa fotoelektrochemiczne, ponieważ nie wykorzystują światła bezpośrednio, są pierwszym krokiem na drodze do uzyskania ogniw fotoelektrochemicznych.
Zainspirowane naturą
Początkowo badacze projektu HybridSolarFuels stanęli przed dwoma znaczącymi wyzwaniami. Ponieważ CO2 jest cząsteczką obojętną, przekształcenie jej w użyteczne produkty, takie jak metanol, wymaga dostarczenia znacznej energii. Dlatego wybór odpowiedniego katalizatora ma kluczowe znaczenie. Znalezienie odpowiednich katalizatorów i zintegrowanie ich z ogniwami fotoelektrochemicznymi jest trudne. Kolejny problem polegał na tym, że wcześniejsze badania prowadzono dla ogniw działających w procesie wsadowym. Przełożenie tych wyników na konkretne zastosowania jest trudne, ponieważ przemysłowe współczynniki konwersji są osiągalne tylko w komorach przepływowych, w których CO2 jest podawany w sposób ciągły. W naturalnej fotosyntezie każdy składnik systemu pełni określoną funkcję. Zainspirowani tym faktem badacze z projektu HybridSolarFuels zaprojektowali elektrody wykonane z kilku elementów: jednego odpowiedzialnego za pochłanianie światła, drugiego – za transport nośnika ładunku i trzeciego – za reakcję katalityczną na powierzchni. Elementy te połączono ze sobą w skali nano. Na przykład do pochłaniania światła w zespole fotoelektrod wykorzystano różne półprzewodniki typu p. Tam też zespół dokonał nieoczekiwanego odkrycia. „Byliśmy jednymi z pierwszych, którzy bezpośrednio stosowali jako fotoelektrody cienkie warstwy perowskitowe z halogenkiem ołowiu. Zaowocowało to kilkoma ważnymi odkryciami dotyczącymi podstawowej roli, jaką w procesach korozji tych niesamowitych materiałów odgrywają fotogenerowane dziury”, mówi Janáky. Po wykonaniu badań charakteryzujących optymalną krystaliczność, morfologię i skład chemiczny nowych fotoelektrod włączono je do ogniw elektrolizera o przepływie ciągłym, a następnie te ostatnie poddano różnym badaniom fotoelektrochemicznym, aby ocenić stopień konwersji energii słonecznej na chemiczną, tj. liczbę fotonów, które są faktycznie przekształcane na energię chemiczną. „Okazało się, że fotoelektrody hybrydowe przewyższają parametrami elektrody jednoskładnikowe”, dodaje Janáky.
Ekologiczny element zakłócający
Sukces strategii Europejski Zielony Ład, której celem jest osiągnięcie neutralności węglowej do 2050 roku, będzie zależał od dokonywania przełomów technologicznych. Konwersja energii słonecznej na wysokowartościowe związki chemiczne i paliwa ma szansę być jednym z nich. Fotoelektrochemiczna konwersja CO2 może prowadzić do pozyskiwania związków, takich jak kwas mrówkowy, tlenek węgla, metanol i etanol, co przyczyni się do zmniejszenia zapotrzebowania na surowce uzyskiwane z paliw kopalnych, a tym samym ograniczy emisję CO2 w przemyśle chemicznym. Zespół bada obecnie możliwość zastąpienia utleniania wody w procesie elektrochemicznej redukcji CO2 reakcją o wyższej wartości ekonomicznej. „Produktem ubocznym produkcji biooleju napędowego jest glicerol, który występuje teraz w znacznych nadwyżkach, co można wykorzystać w procesie uzyskiwania wysokowartościowych związków chemicznych, takich jak kwas mrówkowy, który jest używany między innymi do konserwacji pasz dla zwierząt”, mówi Janáky. Zespół nadal pracuje nad rozwojem ogniwa fotoelektrochemicznego o ciągłym przepływie, które mogłoby znaleźć zastosowanie w przemyśle.
Słowa kluczowe
HybridSolarFuels, paliwo słoneczne, fotoelektrochemiczne, dwutlenek węgla, glicerol, ogniwa elektrolizera, fotoelektroda, półprzewodnik, elektrolizer, katalizator, energia
