Искусственные листья работают, превращая углекислый газ в топливо и воду в кислород, используя энергию солнца. Эти два процесса происходят по отдельности и одновременно с обеих сторон фотоэлектрического элемента: кислород вырабатывается на «положительной» стороне элемента, а топливо – на «отрицательной» стороне.
Сингх, который является автором новой статьи в ACS Applied Energy Materials, говорит, что существующие искусственные листья крайне неэффективны. В результате они превращают только 15% углекислого газа, который они поглощают, в топливо и выделяют 85% его вместе с газообразным кислородом обратно в атмосферу.
«Искусственные листья, которые у нас есть сегодня, на самом деле не готовы выполнить свое обещание в качестве решений для улавливания углерода, потому что они не захватывают столько углекислого газа, а фактически высвобождают большую часть углекислого газа, который они получают из кислорода. – развитие «позитивной» стороны », – сказал Сингх.
Причина, по которой искусственные листья выделяют так много углекислого газа обратно в атмосферу, связана с тем, где углекислый газ попадает в фотоэлектрохимический элемент.
Когда углекислый газ попадает в ячейку, он проходит через электролит ячейки.
В электролите растворенный диоксид углерода превращается в анионы бикарбоната, которые перемещаются через мембрану к «положительной» стороне ячейки, где вырабатывается кислород. Эта сторона клетки имеет тенденцию быть очень кислой из-за расщепления воды на газообразный кислород и протоны. Когда бикарбонат-анионы взаимодействуют с кислотным электролитом на анодной стороне ячейки, образуется диоксид углерода, который выделяется с газообразным кислородом.
Сингх отметил, что подобное явление выделения углекислого газа, происходящее в искусственном листе, можно увидеть на кухне, когда пищевую соду (раствор бикарбоната) смешивают с уксусом (кислый раствор), чтобы высвободить шипение пузырьков двуокиси углерода.
Чтобы решить эту проблему, Сингх в сотрудничестве с исследователями Калифорнийского технологического института Мэн Линь, Лихао Хан и Чэнсян Сян разработал систему, в которой используется биполярная мембрана, которая предотвращает попадание бикарбонатных анионов на «положительную» сторону листа, нейтрализуя образующиеся протоны.
Мембрана, размещенная между двумя сторонами фотоэлектрохимического элемента, удерживает углекислый газ от кислой стороны листа, предотвращая его выход обратно в атмосферу. Искусственные листья с использованием этой специализированной мембраны превратили от 60% до 70% углекислого газа, который они приняли в топливо.
«Наше открытие представляет собой еще один шаг в превращении искусственных листьев в реальность за счет увеличения использования углекислого газа», – сказал Сингх.
Ранее в этом году Сингх и его коллеги опубликовали статью в ACS Sustainable Chemistry & Engineering, в которой предложили решение еще одной проблемы с искусственными листьями: текущие модели используют сжатый углекислый газ из резервуаров, а не атмосферу.
Он предложил другую специализированную мембрану, которая позволила бы листьям улавливать углекислый газ прямо из атмосферы. Сингх объясняет, что эта идея вместе с результатами, представленными в данной публикации, по использованию большего количества улавливаемого углекислого газа, должны помочь сделать технологию искусственного листа полностью реализуемой.