Umelý list“, ktorý premieňa uhlík na udržateľné palivá

Výskumná práca  demonštruje fotoelektrochemickú (PEC) syntézu uhľovodíkov pomocou prepojenia štruktúrovaného medeného nanoflower katalyzátora s perovskitovým absorbérom svetla s vysokým fotonapätím.

• Geometrické plochy a lokálne prúdové hustoty sú kľúčové pre riadenie selektivity C2 uhľovodíkov.
• Unassisted perovskitovo-silikónové PEC zariadenia spájajúce vodnú redukciu CO2 s oxidáciou glycerolu dosahujú Faradaiove výťažky etánu a etylénu medzi 5 % a 10 %, čo zodpovedá optimálnej selektivite pozorovanej pre medené nanoflower elektródy.

PEC systémy ponúkajú udržateľnú alternatívu pre priamu produkciu C2 uhľovodíkov z malých stavebných blokov ako CO2 alebo H2O.

• Tieto systémy integrujú zber svetla a katalýzu do jedného panela, ktorý pracuje za neškodných podmienok.
• Zmierňujú sa tým medzikroky a emisie CO2 z priemyselných procesov.

Výskum preukázal, že tandemové zariadenia s robustnými BiVO4 a TiO2 fotoanódami spájajú produkciu etánu a etylénu s vývojom O2.

• Čiastočné prúdové hustoty C2 sa zlepšili 200-násobne prepojením perovskitových fotokatód so Si fotoanódami pre GOR.
• Poskytuje sa tak proof-of-concept demonštrácia pre simultánnu PEC syntézu uhľovodíkov a organickú syntézu.

Optimalizovaný medený nanoflower (CuNF) elektro katalyzátor bol použitý na redukciu CO2 na základe jeho sľubnej aktivity smerom k syntéze etylénu.

• Katalyzátor pozostával z 2–4 µm širokých zhlukov, ktoré zachovali 50 nm tenkú nano platničkovú štruktúru CuO.
• Takéto hierarchické, porézne štruktúry sú známe tým, že podporujú redukciu CO2 zvýšením lokálneho pH, a teda znížením dostupnosti protónov pre konkurenčný vývoj H2.

Zistilo sa, že selektivita C2 integrovaných fotokatód silno závisí od geometrickej plochy katalyzátora.

• Optimálna selektivita smerom k produkcii etánu a etylénu sa získala pre aktívnu plochu katalyzátora ~4 mm2.
• Zistenie naznačuje, že hustota prúdu ovplyvňuje selektivitu.

Fotokatódy testované pri rôznych aplikovaných potenciáloch tiež sledovali podobné trendy vo FY produktov C2 uhľovodíkov ako tmavé CuNF elektródy.

Na prekonanie termodynamických obmedzení oxidácie vody boli perovskitové fotokatódy prepojené so Si fotoanódami pre GOR.

• Zariadenia Sip-PVK|CuNF a SiNW-PVK|CuNF vykazovali podobné selektivity a počiatočné fotoprúdy.
• Čiastočné prúdové hustoty C2 zariadení SiNW-PVK|CuNF (4 mm2) dosiahli 155 µA cm−2, čo predstavuje 200-násobné zlepšenie oproti perovskitovo-BiVO4 umelým listom spájajúcim produkciu C2 uhľovodíkov s oxidáciou vody.

Záverom, táto práca demonštruje všestrannosť integrovaných PEC systémov pre multikarbonovú syntézu a konverziu odpadu z biomasy na produkty s pridanou hodnotou. Spring

---

Slovník Kľúčových Pojmov

• Fotoelektrochemická (PEC) syntéza: Proces priamej syntézy palív pomocou slnečnej energie, ktorý kombinuje absorpciu svetla a katalýzu.
• Perovskity: Polovodičové materiály, ktoré vykazujú vysokú absorpciu svetla a fotovoltické vlastnosti.
• Faradaic Yield (FY): Účinnosť, s akou elektróny prenesené v elektrochemickej reakcii vedú k tvorbe konkrétneho produktu. Vyjadruje sa ako percento.
• Overpotenciál: Dodatočný potenciál potrebný nad rámec termodynamického potenciálu na uskutočnenie elektrochemickej reakcie významnou rýchlosťou.
• Reversible Hydrogen Electrode (RHE): Štandardná referenčná elektróda používaná v elektrochémii, najmä pri štúdiu reakcií súvisiacich s vodíkom.
• Copper Nanoflower (CuNF): Štruktúrovaný katalyzátor na báze medi, ktorý vykazuje vysokú aktivitu pri redukcii CO2.
• Glycerol Oxidation Reaction (GOR): Alternatívna anodická reakcia na oxygen evolution reaction, pri ktorej sa glycerol oxiduje na hodnotné chemikálie, čím sa znižuje celkový potenciál potrebný pre PEC proces.
• BiVO4: Bismut-vanadičnan, polovodičový materiál používaný ako photoanóda pre oxygen evolution reaction.
• TiO2: Oxid titaničitý, polovodičový materiál používaný ako photoanóda.
• Photoanóda: Elektróda v elektrochemickom článku, kde prebieha oxidácia poháňaná svetlom.
• Fotokatóda: Elektróda v elektrochemickom článku, kde prebieha redukcia poháňaná svetlom.
• Si nanowire (SiNW): Kremičitý nanodrôt, ktorý sa používa ako photoanóda na glycerolovú oxidáciu.
• Bipolar membrane: Membrána používaná na oddelenie anódového a katódového oddelenia, ktorá prenáša len protón alebo hydroxylové ióny.
• Current density: Veľkosť prúdu na jednotku plochy elektródy, typicky vyjadrená v mA cm-2.
• Electrocatalysis: Katalýza elektrochemických reakcií, zvyčajne na povrchu elektródy.
• PEC tandem device: Zariadenie pozostávajúce z fotokatódy a fotoanódy, prepojené na vykonávanie celkovej reakcie, ako je CO2 redukcia a oxidácia vody/glycerolu.
• Open-circuit voltage (VOC): Rozdiel napätia medzi svorkami zariadenia, keď nie je pripojené k žiadnemu vonkajšiemu obvodu.
• Short-circuit current (ISC): Množstvo prúdu produkovaného zariadením, keď sú svorky spojené dohromady.
• Fill factor (FF): Parameter, ktorý hodnotí kvalitu a účinnosť solárneho článku.
• AM1.5G: Štandardné slnečné spektrum používané pri testovaní solárnych zariadení.