Разработана высокоэффективная искусственная фотосинтетическая система

Компания Panasonic анонсировала фотосинтетическую систему, которая конвертирует диоксид углерода в органические продукты с мировым рекордом эффективности в 0,2%. Причём источником энергии служит чистый солнечный свет.

Тем, кто улыбнулся, глядя на эти самые 0,2%, спешим сообщить: это сравнимо с эффективностью живых растений (читай — кукурузы), биомасса которых используется для получения энергии. Ключевым компонентом установки служит нитридный полупроводник, делающий всю систему простой и действенной.

Схема системы искусственного фотосинтеза, предложенная компанией Panasonic (здесь и ниже иллюстрации Panasonic / Business Wire).

Не будем повторять банальности о выбросах парникового газа, сразу же перейдём к фотосинтезу. Искусственный фотосинтез имеет целью проведение прямой конверсии CO₂ в органические продукты, которые затем можно было бы использовать в качестве горючего (подобный подход решает две проблемы: исключает накопление парникового газа и в меру сил служит замене ископаемых источников энергии). Прежние системы искусственного фотосинтеза (СИФ) нельзя было назвать ни простыми, ни эффективными из-за использования органических комплексов или многочисленных фотоэлектродов: как тут добьёшься «дальнейшего увеличения КПД»?

СИФ, созданная компанией Panasonic, отличается от предшественников простотой конструкции и высокой эффективностью конверсии CO₂ при использовании прямых солнечных лучей или сфокусированного солнечного света.

Учёные обнаружили, что нитридный полупроводник (ясно, без дополнительных подробностей) обладает способностью возбуждать электроны до энергии, достаточно высокой, чтобы осуществить реакцию восстановления CO₂. Вообще говоря, нитридные полупроводники давно притягивают к себе внимание благодаря возможности их потенциального использования в высокоэффективных оптических устройствах и блоках питания, так как этот тип полупроводников позволяет экономить энергию. Однако настоящий их потенциал раскрылся, пожалуй, только теперь, когда стало ясно, что эти материалы хороши в качестве фотоэлектродов для восстановления CO₂. Для обеспечения максимально возможной производительности таких электродов их изготовили в виде тонких плёнок, при этом само восстановление диоксида углерода происходит на обратной стороне нитридного полупроводникового фотоэлектрода с помощью металлического катализатора. Последний принципиально важен, поскольку обеспечивает высокую скорость и селективность протекающей реакции.

Реальный эксперимент: слева — нитридный полупроводник, справа — металлический катализатор. Изменение цвета индикатора с жёлтого на синий (справа) показывает, что процесс идёт.

Любопытно, что эта СИФ состоит только из неорганических материалов и максимально проста на физическом уровне (то есть здесь нет всех этих внутрисистемных электронных переходов, необъяснимых потерь и т. п.), за счёт чего количество получаемого органического продукта реакции (муравьиная кислота) всегда строго пропорционально энергии падающего света.

И краткий итог. Основным продуктом системы «металлический катализатор — нитридный полупроводник» является муравьиная кислота, получаемая из CO₂, воды и света с эффективностью 0,2%, что является мировым рекордом для аналогичных СИФ и сравнимо с «КПД» растений, биомасса которых используется в качестве источника энергии. Скорость реакции искусственного фотосинтеза пропорциональна энергии падающего света благодаря низким потерям энергии и простоте конструкции. Другими словами, СИФ способна адекватно откликаться на сфокусированный свет (то есть совершенно бесплатно можно резко увеличить скорость выхода продукта).

Ну а предназначена разработка для захвата и конверсии CO₂ в заводских выбросах.

Подготовлено по материалам Panasonic.