Zrobili paliwo ze słońca, wody i CO2. Oto skrót do przyszłości
Metanol z powietrza, wody i słońca? Ten sztuczny liść robi to bez kabli, gniazdek i zewnętrznego zasilania elektrycznego.
Panele słoneczne dają prąd, ale prąd nie zawsze łatwo przechować, przewieźć i wlać do zbiornika. Właśnie dlatego naukowcy od lat próbują zrobić coś bardziej podobnego do roślin: wykorzystać światło do produkcji związków chemicznych. Nowy sztuczny liść opracowany przez zespół z Yale robi właśnie to. Z wody, CO2 i światła słonecznego wytwarza metanol, czyli płynne paliwo i ważny surowiec przemysłowy.
Sztuczny liść nie jest liściem. Jest miniaturową fabryką chemii
Termin sztuczny liść odnosi się do urządzenia naśladującego proces fotosyntezy – konwersji energii świetlnej na energię wiązań chemicznych. W naturze rośliny wykorzystują w tym celu wodę i CO2, produkując związki organiczne budujące ich strukturę. Naukowcy próbują osiągnąć podobny efekt, tyle że zamiast budować tkanki roślinne, chcą otrzymywać substancje przydatne dla przemysłu i energetyki.
W tym przypadku produktem jest metanol, czyli prosty alkohol o wzorze CH3OH. Można go wykorzystać jako paliwo, dodatek do paliw, nośnik energii albo surowiec do produkcji wielu chemikaliów. W gospodarce opartej na ropie, gazie i węglu metanol zwykle powstaje z surowców kopalnych. W wersji idealnej mógłby jednak być wytwarzany z CO2 i wody przy użyciu energii odnawialnej.
Nowy układ jest ciekawy dlatego, że nie wymaga osobnego panelu słonecznego podłączonego kablami do elektrolizera. Ma działać samodzielnie: światło pada na urządzenie, a wewnątrz zachodzi reakcja prowadząca do powstania metanolu. To właśnie odróżnia go od wielu wcześniejszych koncepcji, w których energia słoneczna była tylko jednym z elementów większego zestawu laboratoryjnego.
Rekord jest naprawdę spektakularny
Najważniejsza liczba z badania to 0,8 proc. sprawności konwersji światła na metanol. W codziennym porównaniu z panelami fotowoltaicznymi nie wygląda to imponująco, bo dobre panele zamieniają na prąd kilkadziesiąt proc. padającego promieniowania. Jednak takie zestawienie byłoby mylące i po prostu bezsensowne. Tutaj nie chodzi o produkcję prądu, tylko o bezpośrednie wytworzenie paliwa ciekłego z CO2 i wody.
W tej konkretnej klasie technologii wynik jest naprawdę rekordowy. To 32 razy więcej niż poprzedni rekord dla sztucznych liści generujących produkty alkoholowe. Urządzenie nadal jest oczywiście bardzo daleko od przemysłowej perfekcji, ale przeskok względem wcześniejszych prób jest bardzo duży.
To typowy etap w technologiach energetycznych. Na początku nie liczy się jeszcze to, czy urządzenie da się jutro postawić przy rafinerii. Najpierw trzeba pokazać, że proces w ogóle może działać w zwartej, samodzielnej konfiguracji i że jego sprawność nie jest śladowa. Ten warunek nowy sztuczny liść spełnia znacznie lepiej niż wcześniejsze rozwiązania.
W środku pracuje krzem i katalizator z kobaltem
Sercem urządzenia jest fotoelektroda zbudowana z mikroskopijnych krzemowych słupków. Krzem nie pojawia się tu przypadkowo. To materiał świetnie znany z fotowoltaiki i elektroniki, dobrze pochłaniający światło i nadający się do generowania ładunków elektrycznych. Problem polega na tym, że sama absorpcja światła nie wystarczy. Trzeba jeszcze sprawnie dostarczyć elektrony tam, gdzie mają napędzać reakcję chemiczną.
Właśnie dlatego krzemową strukturę połączono z warstwą węglową i katalizatorem. Ten ostatni opiera się na cząsteczkach ftalocyjaniny kobaltu zakotwiczonych na nanorurkach węglowych. Ftalocyjaniny to związki o pierścieniowej strukturze, w których centralny atom metalu może odgrywać rolę aktywnego miejsca reakcji. W tym układzie kobalt pomaga przekształcać CO2 w metanol.
Nanorurki węglowe działają tu trochę jak autostrada dla elektronów. To bardzo ważne, bo redukcja CO2 do metanolu jest bardziej wymagająca niż produkcja tlenku węgla czy mrówczanu. Do jednej cząsteczki CO2 trzeba dostarczyć 6 elektronów. Jeśli elektronów brakuje albo docierają zbyt wolno, reakcja kończy się prostszymi produktami. Tutaj cała architektura została zaprojektowana tak, by elektrony trafiały do miejsc katalitycznych szybko i ciągle.
Metanol może wygrać tam, gdzie wodór wciąż ma pod górkę
Wiele technologii solarnych paliw skupia się na wodorze. Ma to oczywiście sens, bo rozkład wody na wodór i tlen jest jednym z najprostszych chemicznie sposobów magazynowania energii słonecznej. Wodór ma jednak poważne ograniczenia praktyczne. Jest gazem, trudno go magazynować, wymaga wysokich ciśnień, niskich temperatur albo specjalnych nośników, a jego infrastruktura dopiero powstaje.
Metanol jest płynem o temperaturze pokojowej. To ogromna różnica, bo płyny łatwiej przechowywać, transportować i dozować. Istnieje też przemysłowe doświadczenie w obchodzeniu się z metanolem, choć trzeba pamiętać, że jest to substancja toksyczna i łatwopalna, a nie bezproblemowy odpowiednik benzyny.
Największa przewaga metanolu polega jednak na tym, że jest jednocześnie paliwem i surowcem chemicznym. Może służyć do produkcji formaldehydu, kwasu octowego, tworzyw, paliw syntetycznych i innych związków. Jeśli udałoby się wytwarzać go z CO2 oraz wody przy użyciu słońca, część przemysłowego węgla mogłaby krążyć w obiegu, zamiast pochodzić z kolejnych porcji paliw kopalnych.
Słońce świeci za darmo. Problem zaczyna się jednak wtedy, gdy zachodzi
Słońce daje ogromne ilości energii, ale nie świeci wtedy, kiedy chcemy. Fotowoltaika świetnie produkuje prąd w dzień, gorzej radzi sobie nocą, w zimie i przy długotrwałej zmienności pogody. Baterie pomagają w krótkich okresach, ale nie są idealnym rozwiązaniem dla wszystkich zastosowań, zwłaszcza tam, gdzie potrzebny jest sezonowy zapas energii albo paliwo do transportu dalekiego zasięgu.
Właśnie dlatego paliwa słoneczne budzą dziś tak duże zainteresowanie. Zamiast zużywać energię od razu po jej wyprodukowaniu, można ją zapisać w związku chemicznym i wykorzystać później, wtedy gdy naprawdę jest potrzebna. Metanol świetnie się do tego nadaje, bo łatwo go magazynować i transportować, a energię przechowuje znacznie wygodniej niż chwilowy przepływ prądu.
Przeczytaj także:
Taki kierunek może być szczególnie przydatny tam, gdzie same baterie nie wystarczą. Samochód osobowy da się dziś całkiem sensownie zelektryfikować, ale ze statkami, samolotami czy częścią ciężkiego przemysłu sprawa robi się dużo trudniejsza. W takich branżach paliwa ciekłe i związki zawierające węgiel jeszcze długo będą potrzebne. Pytanie brzmi raczej nie czy będą używane, tylko skąd będą pochodzić.
*Źródło grafiki wprowadzającej: brazil topno, Pexels; AI
