Tiny Kupfer ‚Nano-Flowers‘ wurden an einem künstlichen Blatt angebracht, um saubere Kraftstoffe und Chemikalien herzustellen, die das Rückgrat moderner Energie und Herstellung darstellen.
Die Forscher von der University of Cambridge und der University of California in Berkeley entwickelten eine praktische Möglichkeit, Kohlenwasserstoffe – Moleküle aus Kohlenstoff und Wasserstoff – ausschließlich von der Sonne zu machen.
Das von ihnen entwickelte Gerät kombiniert ein lichtabsorbierendes „Blatt“ aus einem hocheffizienten Solarzellenmaterial, das Perovskit mit einem Kupfer-Nanoflower-Katalysator namens Perovskit, um Kohlendioxid in nützliche Moleküle umzuwandeln. Im Gegensatz zu den meisten Metallkatalysatoren, die CO₂ nur in Einzel-Kohlenstoff-Moleküle umwandeln können, ermöglichen die Kupferblüten die Bildung komplexerer Kohlenwasserstoffe mit zwei Kohlenstoffatomen wie Ethan und Ethylen-wichtige Bausteine für flüssige Kraftstoffe, Chemikalien und Plastik.
Fast alle Kohlenwasserstoffe stammen derzeit aus fossilen Brennstoffen, aber die vom Team von Cambridge-Berkeley entwickelte Methode führt zu sauberen Chemikalien und Kraftstoffen aus CO2Wasser und Glycerin – eine gemeinsame organische Verbindung – ohne zusätzliche Kohlenstoffemissionen. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift angegeben Naturkatalyse.
Die Studie baut auf den früheren Arbeiten des Teams an künstlichen Blättern auf, die sich von der Photosynthese inspirieren lassen: den Prozess, durch den Pflanzen Sonnenlicht in Lebensmittel umwandeln. „Wir wollten über die grundlegende Kohlendioxidreduktion hinausgehen und komplexere Kohlenwasserstoffe produzieren, aber das erfordert erhebliche Energie“, sagte Dr. Virgil Andrei aus Cambridges Yusuf Hamied Department of Chemistry, dem Hauptautor der Studie.
Andrei, ein wissenschaftlicher Fellow von St. Johns College in Cambridge, führte die Arbeit im Rahmen des Winton Cambridge-Kavli ENSI-Austauschprogramms im Labor von Professor Peidong Yang an der University of California in Berkeley durch.
Durch die Kopplung eines Perovskit -Lichtabsorbers mit dem Kupfer -Nanoflower -Katalysator konnte das Team komplexere Kohlenwasserstoffe produzieren. Um die Effizienz weiter zu verbessern und die Energiegrenzen des Wassers zu überwinden, fügte das Team Silizium -Nanodraht -Elektroden hinzu, die stattdessen Glycerin oxidieren können. Diese neue Plattform erzeugt Kohlenwasserstoffe viel effektiver – 200 -mal besser als frühere Systeme zum Aufteilen von Wasser und Kohlendioxid.
Die Reaktion steigert nicht nur die CO₂-Reduktionsleistung, sondern erzeugt auch hochwertige Chemikalien wie Glycerate, Lactat und Formiat, die Anwendungen in Pharmazeutika, Kosmetika und chemischer Synthese haben.
„Glycerin wird normalerweise als Abfall betrachtet, aber hier spielt es eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Reaktionsrate“, sagte Andrei. „Dies zeigt, dass wir unsere Plattform auf eine breite Palette von chemischen Prozessen über nur die Umwandlung von Abfällen anwenden können. Durch sorgfältiges Design der Oberfläche des Katalysators können wir die Produkte beeinflussen, was wir erzeugen und den Prozess selektiver machen.“
Während die aktuelle Selektivität der CO₂-to-Hydrocarbon-Selektivität rund 10%bleibt, sind die Forscher optimistisch, um das Katalysatordesign zu verbessern, um die Effizienz zu steigern. Das Team sieht vor, ihre Plattform auf noch komplexere organische Reaktionen anzuwenden und Türen für Innovationen in der nachhaltigen chemischen Produktion zu öffnen. Mit fortgesetzten Verbesserungen könnte diese Forschung den Übergang zu einer kreisförmigen, kohlenstoffneutralen Wirtschaft beschleunigen.
„Dieses Projekt ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie globale Forschungspartnerschaften zu wirkungsvollen wissenschaftlichen Fortschritten führen können“, sagte Andrei. „Durch die Kombination von Fachkenntnissen aus Cambridge und Berkeley haben wir ein System entwickelt, das die Art und Weise, wie wir Kraftstoffe und wertvolle Chemikalien nachhaltig produzieren, umgestalten.“
Die Forschung wurde teilweise durch das Winton -Programm für die Physik der Nachhaltigkeit, das St. John’s College, das US -Energieministerium, den Europäischen Forschungsrat und die britische Forschung und Innovation (UKRI) unterstützt.
