18 مه 2023 -توسط دانشگاه کمبریج-یک فوتورآکتور با یک برگ مصنوعی که تحت تابش خورشیدی کار می کند. اعتبار: مطیر رحمان
محققان فناوری انرژی خورشیدی را توسعه داده اند که دی اکسید کربن و آب را به سوخت مایع تبدیل می کند که می تواند مستقیماً به عنوان سوخت به موتور خودرو اضافه شود.
محققان دانشگاه کمبریج از قدرت فتوسنتز برای تبدیل CO2، آب و نور خورشید به سوخت‌های چند کربنی – اتانول و پروپانول – در یک مرحله استفاده کردند. این سوخت ها چگالی انرژی بالایی دارند و به راحتی می توان آنها را ذخیره یا حمل کرد.
برخلاف سوخت‌های فسیلی، این سوخت‌های خورشیدی انتشار خالص کربن صفر و کاملاً تجدیدپذیر تولید می‌کنند و بر خلاف بسیاری از اتانول‌های زیستی، هیچ زمین کشاورزی را از تولید مواد غذایی منحرف نمی‌کنند.
در حالی که این فناوری هنوز در مقیاس آزمایشگاهی است، محققان می گویند “برگ های مصنوعی” آنها گام مهمی در گذار از اقتصاد مبتنی بر سوخت فسیلی است. نتایج در مجله Nature Energy گزارش شده است.
اتانول زیستی به عنوان جایگزین پاک‌تری برای بنزین معرفی می‌شود، زیرا به جای سوخت‌های فسیلی از گیاهان ساخته می‌شود. اکثر خودروها و کامیون‌های امروزی در جاده‌ها با بنزینی کار می‌کنند که حاوی 10 درصد اتانول سوخت E10 است. ایالات متحده بزرگترین تولید کننده اتانول زیستی در جهان است: طبق گفته وزارت کشاورزی ایالات متحده، تقریباً 45٪ از کل ذرت کشت شده در ایالات متحده برای تولید اتانول استفاده می شود.
پروفسور اروین ریسنر که این تحقیق را رهبری می‌کرد، گفت: سوخت‌های زیستی مانند اتانول یک فناوری بحث‌برانگیز هستند، به ویژه به این دلیل که زمین‌های کشاورزی را اشغال می‌کنند که می‌توان از آن برای پرورش غذا استفاده کرد.
برای چندین سال، گروه تحقیقاتی رایسنر، مستقر در دپارتمان شیمی یوسف حمید، سوخت‌های پایدار و بدون کربن را با الهام از فتوسنتز – فرآیندی که گیاهان در آن نور خورشید را به غذا تبدیل می‌کنند – با استفاده از برگ‌های مصنوعی تولید می‌کنند.
یک برگ مصنوعی مستقل متصل به تکیه گاه میله ای فلزی. سمت فوتوآند (مربع سبز) در عکس قابل مشاهده است. اعتبار: مطیر رحمان
تا به امروز، این برگ های مصنوعی تنها قادر به ساخت مواد شیمیایی ساده مانند گاز سنتز، مخلوطی از هیدروژن و مونوکسید کربن بوده اند که برای تولید سوخت، مواد دارویی، پلاستیک و کود استفاده می شود. اما برای کاربردی‌تر کردن این فناوری، باید بتواند مواد شیمیایی پیچیده‌تری را مستقیماً در یک مرحله با انرژی خورشیدی تولید کند.اکنون برگ مصنوعی می تواند مستقیماً اتانول و پروپانول تمیز را بدون نیاز به مرحله واسطه ای تولید گاز سنتز تولید کند.
محققان یک کاتالیزور مبتنی بر مس و پالادیوم تولید کردند. کاتالیزور به گونه ای بهینه شده بود که به برگ مصنوعی اجازه می داد مواد شیمیایی پیچیده تری تولید کند، به ویژه الکل های چند کربنه اتانول و n-پروپانول. هر دو الکل سوخت هایی با چگالی انرژی بالا هستند که به راحتی قابل حمل و نگهداری هستند.
دانشمندان دیگر توانسته اند با استفاده از نیروی الکتریکی مواد شیمیایی مشابهی تولید کنند، اما این اولین بار است که چنین مواد شیمیایی پیچیده ای با یک برگ مصنوعی تنها با استفاده از انرژی خورشید تولید می شود.
دکتر مطیار رحمان، نویسنده اول مقاله، می گوید: “تابیدن نور خورشید به برگ های مصنوعی و دریافت سوخت مایع از دی اکسید کربن و آب، یک شیمی شگفت انگیز است.” “به طور معمول، زمانی که شما سعی می کنید CO2 را با استفاده از یک دستگاه برگ مصنوعی به یک محصول شیمیایی دیگر تبدیل کنید، تقریبا همیشه مونوکسید کربن یا گاز سنتز دریافت می کنید، اما در اینجا، ما فقط با استفاده از نیروی خورشید توانسته ایم یک سوخت مایع کاربردی تولید کنیم. این یک پیشرفت هیجان انگیز است که راه های جدیدی را در کار ما باز می کند.”
در حال حاضر، این دستگاه اثبات مفهومی شده است و فقط کارایی متوسطی را نشان می دهد. محققان در حال کار بر روی بهینه سازی جاذب های نور هستند تا بتوانند نور خورشید را بهتر جذب کنند و کاتالیزور را بهینه کنند تا بتواند نور خورشید بیشتری را به سوخت تبدیل کند. همچنین کار بیشتری برای مقیاس پذیر ساختن دستگاه مورد نیاز است تا بتواند حجم زیادی از سوخت تولید کند.
ریزنر می گوید: «با وجود اینکه هنوز کار برای انجام دادن وجود دارد، ما نشان داده ایم که این برگ های مصنوعی قادر به انجام چه کاری هستند. مهم است که نشان دهیم می‌توانیم از ساده‌ترین مولکول‌ها فراتر برویم و با دور شدن از سوخت‌های فسیلی، چیزهایی درست کنیم که مستقیماً مفید باشند.»
