Прорывная солнечная технология преобразует CO2 в биотопливо

Ученые разработали технологию на солнечной энергии, которая преобразует углекислый газ и воду в жидкое топливо, которое можно добавлять непосредственно в двигатель автомобиля в качестве топлива.

Исследователи из Кембриджского университета использовали силу фотосинтеза для преобразования CO₂, воды и солнечного света в многоуглеродное топливо — этанол и пропанол — за один шаг. Эти виды топлива имеют высокую плотность энергии и их легко хранить или транспортировать.

В отличие от ископаемого топлива, это “солнечное” топливо производит нулевые выбросы углерода и является полностью возобновляемым, и, в отличие от большинства видов биоэтанола, оно не отвлекает сельскохозяйственные угодья от производства продуктов питания.

Хотя технология все еще находится в лабораторных масштабах, исследователи говорят, что их «искусственные листья» являются важным шагом в переходе от экономики, основанной на ископаемом топливе. Результаты опубликованы в журнале Nature Energy.

Биоэтанол рекламируется как более чистая альтернатива бензину, поскольку он производится из растений, а не из ископаемого топлива. А большинство легковых и грузовых автомобилей на дорогах сегодня работают на бензине, содержащем до 10% этанола (топливо E10). Например в США, по данным Министерства сельского хозяйства страны, почти 45% всей выращщиваемой кукурузы, используется для производства этанола.

– Биотопливо, такое как этанол, является спорной технологией, не в последнюю очередь потому, что оно “занимает” сельскохозяйственные угодья, которые вместо этого можно было бы использовать для выращивания продуктов питания, — сказал профессор Эрвин Рейснер, который руководил исследованием.

В течение нескольких лет исследовательская группа Рейснера, базирующаяся на химическом факультете Юсуфа Хамида, разрабатывала устойчивое топливо с нулевым содержанием углерода, вдохновленное фотосинтезом — процессом, с помощью которого растения превращают солнечный свет в пищу — с использованием искусственных листьев.

На сегодняшний день из этих искусственных листьев можно производить только простые химические вещества, такие как синтетический газ, смесь водорода и монооксида углерода, которая используется для производства топлива, фармацевтических препаратов, пластмасс и удобрений. Но чтобы сделать технологию более практичной, она должна была бы иметь возможность производить более сложные химические вещества непосредственно за один шаг с использованием солнечной энергии.

Теперь искусственный лист может напрямую производить чистый этанол и пропанол без необходимости промежуточного этапа производства синтез-газа.

Исследователи разработали катализатор на основе меди и палладия. Он был оптимизирован таким образом, чтобы искусственный лист мог производить более сложные химические вещества, в частности многоуглеродные спирты этанол и н-пропанол. Оба спирта представляют собой топливо с высокой плотностью энергии, которое легко транспортировать и хранить.

Ране другой группе ученых удалось произвести аналогичные химические вещества с использованием электроэнергии, но это первый случай, когда такие сложные химические вещества были произведены с помощью искусственного листа, использующего только энергию солнца.

– Подсветка искусственных листьев солнечным светом и получение жидкого топлива из углекислого газа и воды — удивительная часть химии, — рассказал доктор Мотиар Рахаман. – Обычно, когда вы пытаетесь преобразовать CO₂ в другой химический продукт с помощью устройства из искусственных листьев, вы почти всегда получаете угарный газ или синтез-газ, но здесь мы смогли произвести практичное жидкое топливо, просто используя энергию солнца… Это захватывающий прогресс, который открывает совершенно новые возможности в нашей работе.

В настоящее время устройство является доказательством концепции и показывает лишь скромную эффективность. Исследователи работают над оптимизацией поглотителей света, чтобы они могли лучше поглощать солнечный свет, и над оптимизацией катализатора, чтобы он мог преобразовывать больше солнечного света в топливо. Также потребуется дальнейшая работа, чтобы сделать устройство масштабируемым, чтобы оно могло производить большие объемы топлива.

– Несмотря на то, что предстоит еще много работы, мы показали, на что способны эти искусственные листья, — с гордостью отметил Рейснер. – Важно показать, что мы можем выйти за рамки простейших молекул и создавать вещи, которые непосредственно полезны при переходе от ископаемого топлива.