Forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utnyttjat kraften i fotosyntesen för att omvandla koldioxid till bränslen och alkoholer med mycket högre effektivitet än växter. Prestationen markerar en viktig milstolpe i strävan att gå mot hållbara bränslekällor.

Många system har framgångsrikt reducerat koldioxid till kemiska och bränsleprekursorer, såsom kolmonoxid eller en blandning av kolmonoxid och väte som kallas syngas. Detta nya verk, beskrivs i en studie publicerad i tidskriften Energi- och miljövetenskap , är den första som framgångsrikt demonstrerat tillvägagångssättet att gå från koldioxid direkt till målprodukter, nämligen etanol och eten, vid energiomvandlingseffektivitet som konkurrerar med naturliga motsvarigheter.

Forskarna gjorde detta genom att optimera varje komponent i ett fotovoltaiskt-elektrokemiskt system för att minska spänningsförlusten, och skapa nya material när befintliga inte räckte.

"Det här är en spännande utveckling, " sade studiens huvudutredare Joel Ager, en Berkeley Lab-forskare med gemensamma utnämningar inom divisionerna Materials Sciences och Chemical Sciences. "När stigande atmosfäriska CO2-nivåer förändrar jordens klimat, behovet av att utveckla hållbara kraftkällor har blivit allt mer akut. Vårt arbete här visar att vi har en rimlig väg att göra bränsle direkt från solljus."

Denna väg från sol till bränsle är bland huvudmålen för Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), en DOE Energy Innovation Hub etablerades 2010 för att främja forskning om solbränsle. Studien genomfördes vid JCAPs Berkeley Lab-campus.

Det första fokuset för JCAP-forskningen var att ta itu med den effektiva uppdelningen av vatten i fotosyntesprocessen. Efter att i stort sett ha uppnått den uppgiften med hjälp av flera typer av enheter, JCAP-forskare som utförde soldriven koldioxidreduktion började sikta på att uppnå effektivitetsvinster som liknar de som demonstrerats för vattenklyvning, anses av många vara nästa stora utmaning inom artificiell fotosyntes.

En annan forskargrupp vid Berkeley Lab tar sig an denna utmaning genom att fokusera på en specifik komponent i ett fotovoltaiskt-elektrokemiskt system. I en studie publicerad idag, de beskriver en ny katalysator som kan åstadkomma omvandling av koldioxid till flerkolväten med hjälp av rekordlåga energiinsatser.

Inte bara för middag

För denna JCAP-studie, forskare konstruerade ett komplett system för att fungera vid olika tider på dygnet, inte bara på en ljusenerginivå av 1-sols belysning, vilket motsvarar toppen av ljusstyrkan vid lunchtid på en solig dag. De varierade ljuskällans ljusstyrka för att visa att systemet förblev effektivt även i svagt ljus.

När forskarna kopplade elektroderna till fotovoltaiska kiselceller, de uppnådde en solomvandlingseffektivitet på 3 till 4 procent för 0,35 till 1 solbelysning. Ändra konfigurationen till en högpresterande, tandemsolcell kopplad i tandem gav en omvandlingseffektivitet till kolväten och oxygenater som översteg 5 procent vid 1-sols belysning.

"Vi dansade lite i labbet när vi nådde 5 procent, sa Ager, som också har en anställning som adjungerad professor vid UC Berkeleys materialvetenskap och ingenjörsavdelning.

Bland de nya komponenter som utvecklats av forskarna är en koppar-silver nanokoral katod, som reducerar koldioxiden till kolväten och syresätter, och en iridiumoxid-nanoröranod, som oxiderar vattnet och skapar syre.

"Det fina med nanokoralen är att som växter, det kan göra målprodukterna över ett brett spektrum av förhållanden, och den är väldigt stabil, sa Ager.

Forskarna karakteriserade materialen vid National Center for Electron Microscopy vid Molecular Foundry, en DOE Office of Science User Facility vid Berkeley Lab. Resultaten hjälpte dem att förstå hur metallerna fungerade i den bimetalliska katoden. Specifikt, de lärde sig att silver hjälper till att reducera koldioxid till kolmonoxid, medan kopparn tar upp därifrån för att reducera kolmonoxiden vidare till kolväten och alkoholer.

Söker bättre, lågenergiuppbrott

Eftersom koldioxid är en envist stabil molekyl, Att bryta upp det innebär vanligtvis en betydande insats av energi.

"Att reducera CO2 till en kolväteslutprodukt som etanol eller eten kan ta upp till 5 volt, börja till slut, " sade studiens huvudförfattare Gurudayal, postdoktor vid Berkeley Lab. "Vårt system minskade det med hälften samtidigt som produkternas selektivitet bibehölls."

I synnerhet, elektroderna fungerade bra i vatten, en neutral pH-miljö.

"Forskningsgrupper som arbetar med anoder gör det oftast med alkaliska förhållanden eftersom anoder vanligtvis kräver en miljö med högt pH, som inte är idealisk för lösligheten av CO2, ", sa Gurudayal. "Det är väldigt svårt att hitta en anod som fungerar i neutrala förhållanden."

Forskarna anpassade anoden genom att odla nanorören iridiumoxid på en zinkoxidyta för att skapa en mer enhetlig yta för att bättre stödja kemiska reaktioner.

"Genom att arbeta igenom varje steg så noggrant, dessa forskare visade en nivå av prestanda och effektivitet som folk inte trodde var möjlig vid denna tidpunkt, " sa Berkeley Lab-kemist Frances Houle, JCAP biträdande direktör för vetenskap och forskningsintegration, som inte ingick i studien. "Detta är ett stort steg framåt i designen av enheter för effektiv CO2-minskning och testning av nya material, och det ger ett tydligt ramverk för den framtida utvecklingen av helt integrerade soldrivna CO2-reducerande enheter."