Sztuczny liść coraz bliżej

Sztuczny liść coraz bliżej

Naukowcy z MIT stworzyli urządzenie, które jest kombinacją ogniwa słonecznego z katalizatorem rozszczepiającym cząsteczki wody – generujące w ten sposób energię.

Ważny krok w kierunku realizacji marzenia o tanim i prostym "sztucznym liściu", urządzeniu do wykorzystania energii słonecznej w celu podziału cząsteczek wody, został zrealizowany przez dwie oddzielne grupy naukowców z MIT. Obie grupy stworzyły urządzenia, które łączą ze sobą standardowe krzemowe ogniwa słoneczne z katalizatorem, odkrytym trzy lata temu przez profesora Daniela Nocera. Gdy jest zanurzony w wodzie i wystawiony na działanie światła słonecznego, urządzenia powodują wytwarzanie się pęcherzyków tlenu, wyodrębnionego z wody.

„Kolejnym krokiem do produkcji pełnego, nadającego się do użycia ‘sztucznego liścia’”, wyjaśnia Nocera, profesor energetyki Henry Dreyfus oraz chemii, „będzie integracja ostatecznych jego części składowych: dodatkowego katalizatora, który pozwoli wyodrębnić z wody cząsteczki wodoru. W obecnych urządzeniach, atomy wodoru są po prostu zdysocjowane w roztworze jako luźne protony i elektrony. Jeżeli katalizator mógłby produkować całkowicie uformowane cząsteczki H2, molekuły mogłyby być użyte do generowania energii elektrycznej lub do stworzenia paliwa dla pojazdów. Realizacja tego założenia będzie obiektem najbliższych działań”, mówi Nocera.

Sprawozdania, sporządzone przez dwa zespoły, zostały opublikowane w czasopismach Energy & Environmental Science 12 maja oraz Proceedings of the National Academy of Sciences 6 czerwca. Nocera zachęca oba zespoły do prac nad projektem, w taki sposób, żeby każdy mógł wnieść do niego specjalistyczną wiedzę, pomocną w rozwiązaniu problemu. Mówi także o tym, że oboje powinny współpracować przy uniwersalizacji systemu katalizatora.

Ostatecznie, Nocera chce produkować tanie urządzenia, które mogą być stosowane tam, gdzie energia elektryczna jest niedostępna lub niewygodna w produkcji. Urządzenie będzie składać się ze szklanych kontenerów z wodą, z ogniwem słonecznym i katalizatorami po obu stronach przyłączonych do elementu, który będzie dzielił zbiorniki na dwie sekcje. Po ekspozycji na światło słoneczne, naelektryzowany katalizator będzie produkował dwa strumienie pęcherzy – z jednej strony tlenu, z drugiej wodoru – które będą zbierane w dwóch osobnych zbiornikach, i później przekształcane w baterii lub innym urządzeniu w potrzebną energię elektryczną.

„Te badania są bardzo ważne, aby pokazać, że katalizator działa” gdy zostanie powiązany z ogniwem słonecznym. Nocera mówi, że pozwoli to na stworzenie urządzenia, które będzie mogło przetwarzać samodzielnie energię słoneczną, na taką jej formę, którą można magazynować. Krzem – potrzebny do produkcji ogniw – jest na świecie powszechnie dostępny i relatywnie tani jako materiał, który jest szeroko stosowany i bardzo dobrze przebadany. Ponadto materiały na katalizatory, czyli kobalt i fosfor, także występują w znacznej ilości na ziemi.

„Połączenie technologii ogniw słonecznych i materiałów katalizujących – nazwanych Co-Pi dla fosforanów kobaltu – nie byłą prostą sprawą”, wyjaśnia Tonio Buonassisi, Asysten profesora inżynierii mechanicznej i wytwarzania, które był współtwórcą badań PNAS. „Dzieje się tak, ponieważ podział wody przez katalizator tworzy bardzo agresywne środowisko chemiczne, które ma tendencje do pogarszania właściwości krzemu”, mówi Buonassisi.

W celu przezwyciężenia tego problemu, obie drużyny musiały znaleźć sposób ochrony powierzchni krzemu, jednocześnie pozwalając na przyjęcie energii z przychodzącego światła słonecznego i interakcję z katalizatorem.

Profesor inżynierii elektrycznej, Vladimir Bulovic, który liderował jednej z grup, mówi, że wraz z podopiecznymi uformował warstwę Co-Pi na powierzchni ogniwa słonecznego, najpierw odparowując warstwę czystego metalu z elektrody krzemowej, a następnie wystawiając ją na ekspozycję fosforanu przy przyłożonym napięciu elektrycznym. „Dzięki zastosowaniu warstwy Co-Pi, która jest mocno związana z powierzchnią ogniwa, udało się spasywować powierzchnię.”, mówi Elizabeth Young, dr hab., który był czołowym autorem sprawozdania E&ES. „Innymi słowy, działa jako bariera ochrona krzemu przed niszczącą go wodą.”

„Większość ludzi trzymała się z dala od łączenia silikonu z utlenioną wodą, ponieważ w kontakcie z nią tworzy się dwutlenek krzemu. Jest izolatorem, który pogarsza przewodność elektryczną materiału.” Mówi Ronny Costi, dr hab. Z grupy Bulovic’a. „Musieliśmy znaleźć sposób rozwiązania tego problemu”, co zrobili przy pomocy kobaltowej powłoki.

Grupa Buonassisi’ego użyła innego rodzaju powłoki, pokrywającej silikon. „Zrobiliśmy to przez umieszczenie cienkiej warstwy tlenku indowego ma jej górnej warstwie.”, tłumaczy Joep Pijpers, dr hab., który był czołowym twórcą sprawozdania PNAS. Wykorzystując jego ekspertyzę w projektowaniu krzemowych urządzeń, zespół skoncentrował się na dopasowaniu prądu wyjściowego ogniwa słonecznego do zapotrzebowania na prąd przez katalizę. „System nadal potrzebuje optymalizacji”, mówi Pijpers „w celu 10krotnej poprawy wydajności – która mogłaby być porównywalna ze współczesnymi ogniwami.”

„To naprawdę nie jest błahy problem, by zintegrować tanie i wysokowydajnościowe urządzenie z Co-Pi”, mówi Buounassisi. „W architekturze systemu i procesie w nim zachodzącym jest mnóstwo innowacji.”

Obie grupy musiały dodać zewnętrzne źródło zasilania do systemu, ponieważ napięcie produkowane przez jedno ogniwo nie jest wystarczające do zajścia procesu katalizy. Naukowcy twierdzą, że w późniejszych wersjach urządzenia, dwa lub nawet trzy ogniwa będą łączone szeregowo, by zapewnić odpowiednie napięcie, bez dodatkowego źródła zasilania.

„Jednym z interesujących aspektów tej wspólnej pracy”, mówi dr hab. Mark Winkler, który pracował z zespołem Buonassisi’ego, „ jest to, że materiały naukowców i chemików musiały ze sobą korespondować.” To trudniejsze niż może się wydawać, ponieważ w dwóch dziedzinach nauki, nawet, gdy dotyczą jednego zjawiska, przy opisywaniu zjawisk w nim zachodzących, używa się innej nomenklatury, a także metod pomiarowych i wyznaczania charakterystyk.

Mobilna energia?
Ostatecznym celem Nocery jest produkcja „sztucznego liścia”, w jak najtańszy i najprostszy sposób, udostępniając go tym samym miliardom ludzi, którzy zmagają się z brakiem dostępu do odpowiednich i zaufanych źródeł energii. „Potrzebne do tego jest zwiększenie wytwarzanego napięcia, co możliwe jest przy dodaniu drugiego katalizatora, po drugiej stronie ogniw”, mówi Nocera.

Pomimo tego, że dwa podejścia do łączenia katalizatora z ogniwami krzemowymi, były testowane tylko przez okres paru dni, oczekuje się, że proces będzie stabilny przez większe okresy czasu. Badania polegające na przyspieszonym starzeniu ostatecznie powinny potwierdzić tę tezę.

Rajeshwar Krishnan, wybitny profesor chemii i biochemii Uniwersytetu Texas w Arlington, mówi, że dopiero okaże się, czy samoleczący się katalizator przetrzyma kilkugodzinny przepływ prądu w dość trudnych utleniających warunkach. Dodaje jednak, że badania poprowadziły naukę do przodu. Obecny stan nauki o wodnej fotooksydacji uwzględnia natenczas użycie drogich tlenków materiałów szlachetnych. Prace, o których mowa, do tego samego procesu wykorzystują dostępne i tanie materiały. Dodaje, że choć nadal nie ma odpowiedniego systemu do składowania i dystrybucji wodoru, prawdopodobnie technologia konwersji energii fotonu do energii z wodoru może ostatecznie ujrzeć światło dzienne – w aplikacjach transportowych – z silnikami zasilanymi wodorem.

Tymczasem Nocera założył firmę o nazwie Sun Catalyix, która początkowo będzie produkować pierwszą generację systemów bazujących na Co-Pi, połączonych elektrycznie z konwencjonalnymi, niezależnymi ogniwami słonecznymi.

Według niego system ten, mimo to, cały czas pozostaje projektem naukowym. „Nie zdobyłbym się na to, by nazwać to projektem technicznym.” Chociaż ma nadzieję, że sztuczny liść stanie się rzeczywistością w przeciągu następnych trzech lat.

Zespół Bulovic’a był częściowo finansowany przez Fundację Rodziny Chesonis i Narodową Fundację Naukowej. Grupa Buonassisi’ego, zaś mogła liczyć na wsparcie Holenderskiej Organizacji Naukowców (NOW-FOM), Narodowej Fundacji Naukowej oraz Fundacji Rodziny Chesonis oraz Air Force Office of Scientific Research.

(rr)