Исследователи разработали плавающие «искусственные листья», которые производят чистое топливо из солнечного света и воды и в конечном итоге могут работать в больших масштабах в море.

Исследователи из Кембриджского университета разработали ультратонкие гибкие устройства, вдохновленные фотосинтезом — процессом, с помощью которого растения превращают солнечный свет в пищу. Поскольку недорогие автономные устройства достаточно легкие, чтобы плавать, их можно использовать для создания устойчивой альтернативы бензину, не занимая места на суше.

Испытания легких листьев на открытом воздухе на реке Кэм, рядом с такими знаковыми достопримечательностями Кембриджа, как Мост Вздохов, Библиотека Рена и Часовня Королевского колледжа, показали, что они могут преобразовывать солнечный свет в топливо так же эффективно, как и листья растений.

Это первый случай, когда чистое топливо было получено на воде, и если его увеличить, искусственные листья можно будет использовать на загрязненных водных путях, в портах или даже в море, что может помочь снизить зависимость мировой судоходной отрасли от ископаемого топлива. Результаты опубликованы в журнале Nature .

В то время как технологии возобновляемых источников энергии, такие как ветер и солнечная энергия, в последние годы стали значительно дешевле и доступнее, для таких отраслей, как судоходство, декарбонизация является гораздо более сложной задачей. Около 80% мировой торговли перевозится грузовыми судами, работающими на ископаемом топливе , однако этому сектору уделяется на удивление мало внимания в дискуссиях о климатическом кризисе.

В течение нескольких лет исследовательская группа профессора Эрвина Рейснера в Кембридже работала над решением этой проблемы, разрабатывая устойчивые решения для бензина, основанные на принципах фотосинтеза . В 2019 году они разработали искусственный лист , который производит синтетический газ — ключевой промежуточный продукт в производстве многих химикатов и фармацевтических препаратов — из солнечного света, углекислого газа и воды.

Более ранний прототип генерировал топливо путем объединения двух поглотителей света с подходящими катализаторами. Однако в нем использовались толстые стеклянные подложки и влагозащитные покрытия, что делало устройство громоздким.

«Искусственные листья могли бы существенно снизить стоимость устойчивого производства топлива, но, поскольку они тяжелые и хрупкие, их трудно производить в больших масштабах и транспортировать», — сказал доктор Вирджил Андрей из Кембриджского химического факультета имени Юсуфа Хамида. соведущий автор.

«Мы хотели посмотреть, насколько мы можем уменьшить количество материалов, используемых в этих устройствах, не влияя при этом на их производительность», — сказал Рейснер, руководивший исследованием. «Если мы сможем обрезать материалы настолько, чтобы они были достаточно легкими, чтобы плавать, то это открывает совершенно новые способы использования этих искусственных листьев».

Создавая новую версию искусственного листа, исследователи черпали вдохновение в электронной промышленности, где методы миниатюризации привели к созданию смартфонов и гибких дисплеев, что произвело революцию в этой области.

Задача исследователей из Кембриджа заключалась в том, как нанести светопоглотители на легкие подложки и защитить их от проникновения воды. Чтобы преодолеть эти проблемы, команда создала тонкопленочные оксиды металлов и материалы, известные как перовскиты , которые можно наносить на гибкий пластик и металлическую фольгу. Устройства были покрыты микрометровыми водоотталкивающими слоями на основе углерода, которые предотвращали разложение влаги. В итоге у них получилось устройство, которое не только работает, но и выглядит как настоящий лист.

«Это исследование демонстрирует, что искусственные листья совместимы с современными технологиями изготовления, что представляет собой ранний шаг к автоматизации и расширению производства солнечного топлива», — сказал Андрей. «Эти листья сочетают в себе преимущества большинства технологий солнечного топлива, поскольку они обеспечивают малый вес порошковых суспензий и высокую производительность проводных систем».

Испытания новых искусственных листьев показали, что они могут расщеплять воду на водород и кислород или восстанавливать CO ₂ до синтез-газа. Хотя потребуются дополнительные улучшения, прежде чем они будут готовы к коммерческому применению, исследователи говорят, что эта разработка открывает совершенно новые возможности в их работе.

«Солнечные фермы стали популярными для производства электроэнергии, мы предполагаем аналогичные фермы для синтеза топлива», — сказал Андрей. «Они могли бы снабжать прибрежные поселения, отдаленные острова, покрывать промышленные пруды или предотвращать испарение воды из оросительных каналов».

«Многие технологии возобновляемых источников энергии, в том числе технологии солнечного топлива, могут занимать много места на суше, поэтому перенос производства на открытую воду будет означать, что чистая энергия и землепользование не будут конкурировать друг с другом», — сказал Рейснер. «Теоретически вы могли бы свернуть эти устройства и разместить их практически где угодно, практически в любой стране, что также помогло бы с энергетической безопасностью».