En ny artificiell fotosyntesmetod använder solljus för att förvandla koldioxid till metan, vilket kan bidra till att göra naturgasdrivna enheter kolneutrala.

Metan är huvudkomponenten i naturgas. Fotosyntes är den process genom vilken gröna växter använder solljus för att göra mat till sig själva av koldioxid och vatten, frigör syre som en biprodukt. Konstgjord fotosyntes syftar ofta till att producera kolvätebränslen, liknande naturgas eller bensin, från samma utgångsmaterial.

Metangenereringsmetoden möjliggörs av en ny katalysator som utvecklats genom ett samarbete mellan University of Michigan, McGill University och McMaster University. Ett papper om resultaten publiceras i Förfaranden från National Academy of Sciences .

Den soldrivna katalysatorn är tillverkad av rikliga material och fungerar i en konfiguration som kan massproduceras. Forskarna tror att det kan vara att återvinna rökstack koldioxid till rent brinnande bränsle inom 5-10 år.

"Trettio procent av energin i USA kommer från naturgas, "sa Zetian Mi, U-professor i elektroteknik och datavetenskap, som ledde arbetet tillsammans med Jun Song, professor i materialteknik vid McGill University. "Om vi ​​kan generera grön metan, det är en stor sak."

Det främsta framsteget är att teamet har utnyttjat relativt stora elektriska strömmar med en enhet som ska vara möjlig att massproducera. Det är också särskilt bra på att kanalisera den elen mot att bilda metan, med hälften av de tillgängliga elektronerna som går mot metanproducerande reaktioner snarare än mot biprodukter som väte eller kolmonoxid.

"Tidigare artificiella fotosyntesenheter fungerar ofta med en liten bråkdel av den maximala strömtätheten för en kiselanordning, här arbetar vi med 80 eller 90 procent av det teoretiska maxvärdet med hjälp av branschklara material och jordkatalysatorer, "sa Baowen Zhou, en postdoktor i Mis grupp som arbetar med detta projekt.

Att göra koldioxid till metan är en mycket svår process. Kolet måste skördas från CO ₂ , som kräver mycket energi eftersom koldioxid är en av de mest stabila molekylerna. Likaså, H2O måste brytas ned för att fästa vätet till kolet. Varje kol behöver fyra väteatomer för att bli metan, gör för en komplicerad åtta-elektrondans (varje kol-vätebindning har två elektroner i den, och det finns fyra bindningar).

Katalysatorns konstruktion är avgörande för reaktionens framgång.

"Frågan på en miljon dollar är hur man snabbt navigerar genom det enorma materialutrymmet för att identifiera det optimala receptet, "Sa låten.

Hans teams teoretiska och beräknade arbete identifierade den viktigaste katalysatorkomponenten:nanopartiklar av koppar och järn. Koppar och järn håller fast i molekylerna genom sina kol- och syreatomer, köpa tid för väte för att göra språnget från vattenmolekylfragmenten till kolatomen.

Enheten är en slags solpanel besatt med nanopartiklar av koppar och järn. Den kan använda solens energi eller en elektrisk ström för att bryta ner koldioxid och vatten.

Basskiktet är en kiselskiva, inte annorlunda än de som redan finns i solpaneler. Den skivan är toppad med nanotrådar, var 300 nanometer (0,0003 millimeter) lång och cirka 30 nanometer bred, tillverkad av halvledaren galliumnitrid.

Arrangemanget skapar en stor ytarea över vilken reaktionerna kan ske. De nanopartikelfläckade nanotrådarna är täckta med en tunn film med vatten.

Enheten kan konstrueras för att köras under solenergi ensam, eller metanproduktionen kan förstärkas med ett tillskott av el. Alternativt, kör på el, enheten kan eventuellt fungera i mörker.

I praktiken, den artificiella fotosyntespanelen skulle behöva anslutas till en källa för koncentrerad koldioxid - till exempel koldioxid fångad från industriella rökstackar. Enheten kan också konfigureras för att producera syntetisk naturgas (syngas) eller myrsyra, ett vanligt konserveringsmedel i djurfoder.