Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab han aprovechado el poder de la fotosíntesis para convertir el dióxido de carbono en combustibles y alcoholes a eficiencias mucho mayores que las plantas. El logro marca un hito significativo en el esfuerzo por avanzar hacia una sostenibilidadfuentes de combustible.
Muchos sistemas han reducido con éxito el dióxido de carbono a precursores químicos y de combustible, como el monóxido de carbono o una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno conocido como gas de síntesis. Este nuevo trabajo, descrito en un estudio publicado en la revista Energía y ciencias ambientales , es el primero en demostrar con éxito el enfoque de pasar del dióxido de carbono directamente a los productos objetivo, a saber, etanol y etileno, con eficiencias de conversión de energía que rivalizan con sus contrapartes naturales.
Los investigadores hicieron esto optimizando cada componente de un sistema fotovoltaico-electroquímico para reducir la pérdida de voltaje, y creando nuevos materiales cuando los existentes no eran suficientes.
"Este es un desarrollo emocionante", dijo el investigador principal del estudio, Joel Ager, un científico de Berkeley Lab con nombramientos conjuntos en las divisiones de Ciencias de los Materiales y Ciencias Químicas. "Como el aumento de CO atmosférico 2 los niveles cambian el clima de la Tierra, la necesidad de desarrollar fuentes sostenibles de energía se ha vuelto cada vez más urgente. Nuestro trabajo aquí muestra que tenemos un camino plausible para fabricar combustibles directamente de la luz solar ".
Ese camino de sol a combustible se encuentra entre los objetivos clave del Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial JCAP, un Centro de Innovación Energética del DOE establecido en 2010 para avanzar en la investigación del combustible solar. El estudio se realizó en el campus Berkeley Lab de JCAP.
El enfoque inicial de la investigación de JCAP fue abordar la división eficiente del agua en el proceso de fotosíntesis. Habiendo logrado en gran medida esa tarea utilizando varios tipos de dispositivos, los científicos de JCAP que realizan la reducción de dióxido de carbono impulsado por energía solar comenzaron a enfocarse en lograr eficiencias similares a aquellasdemostrado por la división del agua, considerado por muchos como el próximo gran desafío en la fotosíntesis artificial.
Otro grupo de investigación en Berkeley Lab está abordando este desafío al enfocarse en un componente específico en un sistema fotovoltaico-electroquímico. En un estudio publicado hoy, describen un nuevo catalizador que puede lograr la conversión de dióxido de carbono a multicarbono utilizando entradas récord bajas deenergía.
No solo para el mediodía
Para este estudio de JCAP, los investigadores diseñaron un sistema completo para trabajar en diferentes momentos del día, no solo con un nivel de energía de iluminación de 1 sol, que es equivalente al pico de brillo al mediodía en un día soleado.varió el brillo de la fuente de luz para mostrar que el sistema seguía siendo eficiente incluso en condiciones de poca luz.
Cuando los investigadores acoplaron los electrodos a las células fotovoltaicas de silicio, lograron eficiencias de conversión solar del 3 al 4 por ciento para una iluminación solar de 0.35 a 1. Cambiar la configuración a una célula solar en tándem de alto rendimiento conectada en tándem produjo una eficiencia de conversióna hidrocarburos y oxigenados que exceden el 5 por ciento con iluminación de 1 sol.
"Bailamos un poco en el laboratorio cuando llegamos al 5 por ciento", dijo Ager, quien también tiene una cita como profesor adjunto en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de UC Berkeley.
Entre los nuevos componentes desarrollados por los investigadores se encuentran un cátodo nanocoral de cobre y plata, que reduce el dióxido de carbono a hidrocarburos y oxigenados, y un ánodo de nanotubos de óxido de iridio, que oxida el agua y crea oxígeno.
"La buena característica del nanocoral es que, como las plantas, puede fabricar los productos objetivo en una amplia gama de condiciones, y es muy estable", dijo Ager.
Los investigadores caracterizaron los materiales en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica en la Fundición Molecular, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en Berkeley Lab. Los resultados les ayudaron a comprender cómo funcionaban los metales en el cátodo bimetálico. Específicamente, aprendieron que la plataayuda a reducir el dióxido de carbono a monóxido de carbono, mientras que el cobre se recoge a partir de ahí para reducir el monóxido de carbono a hidrocarburos y alcoholes.
Buscando mejores, rupturas de baja energía
Debido a que el dióxido de carbono es una molécula obstinadamente estable, su ruptura generalmente implica un aporte significativo de energía.
"Reducción de CO 2 para un producto final de hidrocarburos como el etanol o el etileno puede tomar hasta 5 voltios, de principio a fin ", dijo el autor principal del estudio, Gurudayal, becario postdoctoral en Berkeley Lab." Nuestro sistema redujo eso a la mitad mientras mantenía la selectividad de los productos ".
Notablemente, los electrodos funcionaban bien en agua, un ambiente de pH neutro.
"Los grupos de investigación que trabajan en ánodos lo hacen principalmente en condiciones alcalinas, ya que los ánodos generalmente requieren un entorno de pH alto, lo que no es ideal para la solubilidad del CO 2 ", dijo Gurudayal." Es muy difícil encontrar un ánodo que funcione en condiciones neutrales ".
Los investigadores personalizaron el ánodo haciendo crecer los nanotubos de óxido de iridio en una superficie de óxido de zinc para crear un área de superficie más uniforme para soportar mejor las reacciones químicas.
"Al trabajar cada paso con tanto cuidado, estos investigadores demostraron un nivel de rendimiento y eficiencia que la gente no creía que fuera posible en este momento", dijo Frances Houle, químico de Berkeley Lab, subdirector de JCAP para Ciencia e Investigación de Integración, quien fueno forma parte del estudio ". Este es un gran paso adelante en el diseño de dispositivos para CO eficiente 2 reducción y prueba de nuevos materiales, y proporciona un marco claro para el futuro avance del CO totalmente integrado impulsado por energía solar 2 -dispositivos de reducción ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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