Чтобы использовать CO₂ для создания экологичного топлива, нужно соединить атомы углерода в цепочки.
Система искусственного фотосинтеза из Мичиганского университета связывает два атома углерода в углеводороды лучше других систем. Она производит этилен — углеводород, который обычно используют в производстве пластмасс. Поэтому систему можно применять для сбора углекислого газа, который иначе попал бы в атмосферу при производстве пластмасс.
Зетиан Ми, профессор электротехники и вычислительной техники Мичиганского университета и автор исследования, утверждает, что эффективность преобразования углекислого газа в этилен с помощью солнечной энергии или света в 5-6 раз выше обычных показателей.
Результаты опубликованы в журнале Nature Synthesis.
Этилен — самое производимое органическое соединение в мире. Обычно его получают из нефти и газа, что приводит к выбросу углекислого газа (CO₂).
Цель — соединить длинные цепочки атомов углерода и водорода, чтобы получить жидкое топливо. Для этого нужно удалить кислород из CO₂ как источника углерода и водород из воды (H₂O).
Устройство поглощает свет через полупроводники: лес нанопроводов из нитрида галлия и кремниевую основу. Реакция превращения воды и углекислого газа в этилен происходит на медных кластерах, которые усеивают нанопроволоки.
Нанопроволоки из нитрида галлия погружают в воду, насыщенную углекислым газом. Затем их освещают светом, подобным солнечному в полдень.
В результате реакции образуется водород, который идёт на реакцию этилена, и кислород, превращающий нитрид галлия в оксид нитрида галлия.
Медь удерживает водород и преобразует углерод из углекислого газа в угарный газ. При наличии водорода и энергии света две молекулы угарного газа соединяются с водородом. Реакция завершается на границе раздела меди и оксида нитрида галлия: два атома кислорода заменяются тремя атомами водорода.
Команда обнаружила, что 61% свободных электронов в полупроводниках участвовали в реакции получения этилена под воздействием света.
Катализатор на основе серебра и меди был примерно на 50% эффективен, но работал только в жидкости на основе углерода и всего несколько часов до разрушения. В отличие от него, устройство команды из Мичигана проработало без замедления 116 часов, а общий срок службы таких устройств составил 3 000 часов.
Это связано с тем, что нитрид галлия помогает расщеплять воду. Добавление кислорода улучшает работу катализатора и обеспечивает самовосстановление. Долговечность устройства ещё изучается.
Устройство производило этилен со скоростью, более чем в четыре раза превышающей скорость ближайших конкурентов.
В будущем мы хотим производить и другие многоуглеродные соединения, такие как пропанол или жидкие продукты, — говорит Бингсинг Чжан, помощник научного сотрудника Университета штата Массачусетс по электротехнике и вычислительной технике и первый автор статьи.
Конечная цель Ми — создать устойчивое жидкое топливо для транспорта.
