Et grønnere 'kunstigt blad'

Fotosyntese, naturens måde at omdanne sollys til brændstof, sker overalt omkring os, fra blade på et træ til det mindste græsstrå. Men at finde en måde at efterligne evnen billigt og effektivt har forvirret ingeniører i årtier.

Blade, der ikke er grønne: Silicium belagt med billige katalysatorer opdeler vand til brint og ilt inde i en oplyst beholder med vand.

Nu har forskere taget et skridt i retning af denne uhåndgribelige bedrift med en enhed, der er endnu mere effektiv end naturlig fotosyntese og er afhængig af billige, rigelige materialer.

Konventionelle solceller producerer elektricitet, når et fotovoltaisk materiale udsættes for lys. Den nye enhed går et skridt videre og bruger den resulterende elektricitet til at opdele vand i brint og ilt, som kan lagres og bruges til at generere elektricitet via en brændselscelle.

Den nye enhed er stadig i tidlig laboratorieudvikling, og der er stadig betydelige udfordringer, før den kan kommercialiseres.

Daniel Nocera , en professor ved MIT, afslørede foreløbige detaljer om enheden, som han kalder det første praktiske kunstige blad, på det nationale møde i American Chemical Society i Californien den 27. marts. Enheden kombinerer en kommercielt tilgængelig solcelle med et par billige katalysatorer lavet af kobolt og nikkel, der spalter vand til oxygen og brint. Ved at bruge denne tilgang kunne et solpanel på cirka en kvadratmeter badet i vand producere nok brint til at forsyne et hus i et udviklingsland med elektricitet til både dag og nat, siger Nocera.

Ved at bruge en tynd-film silicium solcelle, der omdanner energien til lys med 7 procent effektivitet, siger Nocera, at hans gruppe opnåede 5 procent effektivitet for omdannelsen af ​​sollys til brint. Naturlig fotosyntese er mindre end 1 procent effektiv til at omdanne sollys til energi.

Enheden er ikke den første, der forsøger at forbedre den naturlige fotosyntese. Det giver dog klare fordele i forhold til tidligere enheder, som enten brugte dyre ædelmetalkatalysatorer til at spalte vand i brint og oxygen, eller udførte vandopdelingen indirekte med en separat enhed, som er mindre effektiv og dyrere.

Noceras enhed er den første til at bruge billige og rigelige katalysatormaterialer, der er inkorporeret i solcellen. Man har bare et stykke silicium belagt med katalysatorer, som man kan putte i et glas vand, og det begynder at spalte vandet i brint og ilt, siger han.

Enheden er muliggjort af flere nyere fremskridt. Nocera udviklede først en koboltkatalysator, der var i stand til at spalte ilt fra vand i 2008, men katalysatoren kunne ikke påføres direkte på silicium, fordi den ville blokere for indkommende sollys. Til sin nye enhed påførte Nocera en tynd film af kobolt på siliciumet, der kun blokerer 2 til 3 procent af det indkommende lys. Før han påførte katalysatoren, coatede han siliciumet med en tynd membran, der beskytter det mod oxidation, men tillader elektrisk strøm at passere igennem.

En ny nikkel-baseret katalysator også udviklet for nylig af Nocera påføres på den anden side af siliciumet for at spalte brint fra vand. De nikkelkatalysatorer, der allerede er brugt i andre vandspalteanordninger kendt som elektrolysatorer, ville hurtigt blive ubrugelige af fosfat og borat i vandet. Resultaterne af de indledende test af enheden er blevet indsendt til offentliggørelse. De viser, at den kan fungere i mindst seks dage uden et fald i effektiviteten, siger Nocera.

John Turner , en forsker ved National Renewable Energy Laboratory i Golden, Colorado, siger, at evnen til at bruge en praktisk talt gennemsigtig koboltkatalysator er et vigtigt fremskridt, og den rapporterede effektivitet er lovende. Han får det meste af effektiviteten ud af cellen, siger Turner. Hvis han [starter med] en 11 eller 12 procent celle, som er kommercielt tilgængelig, burde han være i stand til at klare sig meget bedre. Men vi bliver nødt til at se, hvad han kan gøre, når han får en bedre celle.

Men, siger Turner, vil Nocera være nødt til at demonstrere betydeligt længere køretider - titusindvis af timer. De har måske holdbarheden, men de skal blive ved med at vise det, siger han.

Sol Catalytix , et firma grundlagt af Nocera, vil nu arbejde sammen med den indiske industrigigant Tata for at kommercialisere teknologien til boligbrug i udviklingslande. Virksomhederne arbejder allerede sammen om at udvikle en anden kunstig fotosyntese-enhed udviklet tidligere af Nocera. Denne første enhed vil være baseret på et 100-watt solpanel og vil kræve en separat elektrolysator forbundet med ledninger til panelet. Det burde sælge for omkring 100 dollars.

Enheden skal også parres med en brændselscelle for at omdanne lagret brint til elektricitet. Nocera siger, at han håber at kunne levere denne indledende solcelledrevne brintproducerende enhed til Tata inden udgangen af ​​2011. Det nye kunstige blad burde være billigere, men der kan gå yderligere to et halvt år, før en kommerciel prototype ville være klar, siger Nocera.

James Stevens, en forsker ved Dow Chemical, siger, at teknologien stadig har en lang vej at gå. Der er meget, der skal gøres, før det her kan blive praktisk, siger han. Effektiviteten er lav, og kapitalomkostningerne ved disse ting er meget høje.

Andre praktiske problemer, såsom sikker opbevaring af brintgas og forhindrer systemet i at fryse i minusgrader, er også betydelige udfordringer, siger Stevens. Vi er ikke rigtig interesseret i, hvordan det er nu, siger han.

skjule