En mycket använd gas som för närvarande produceras av fossila bränslen kan istället tillverkas av ett "konstgjort blad" som bara använder solljus, koldioxid och vatten, och som på sikt kan användas för att utveckla ett hållbart flytande bränslealternativ till bensin.

Den koldioxidneutrala enheten sätter ett nytt riktmärke inom området för solbränslen, efter att forskare vid University of Cambridge visat att man direkt kan producera gasen – kallad syngas – på ett hållbart och enkelt sätt.

Istället för att driva fossila bränslen, det konstgjorda bladet drivs av solljus, även om det fortfarande fungerar effektivt på molniga och mulna dagar. Och till skillnad från de nuvarande industriella processerna för att producera syngas, bladet släpper inte ut någon ytterligare koldioxid i atmosfären. Resultaten redovisas i tidskriften Naturmaterial .

Syngas tillverkas för närvarande av en blandning av väte och kolmonoxid, och används för att producera en rad varor, såsom bränslen, läkemedel, plast och gödningsmedel.

"Du kanske inte har hört talas om syngas själv men varje dag, du konsumerar produkter som skapats med den. Att kunna producera det på ett hållbart sätt skulle vara ett avgörande steg för att stänga den globala kolcykeln och etablera en hållbar kemi- och bränsleindustri, " sa seniorförfattaren professor Erwin Reisner från Cambridges kemiavdelning, som har ägnat sju år åt att arbeta mot detta mål.

Apparaten som Reisner och hans kollegor producerade är inspirerad av fotosyntesen – den naturliga process genom vilken växter använder energin från solljus för att omvandla koldioxid till mat.

På det konstgjorda bladet, två ljusabsorbenter, liknar molekylerna i växter som skördar solljus, kombineras med en katalysator gjord av det naturligt rikliga grundämnet kobolt.

När enheten är nedsänkt i vatten, en ljusabsorbator använder katalysatorn för att producera syre. Den andra utför den kemiska reaktionen som reducerar koldioxid och vatten till kolmonoxid och väte, bildar syngasblandningen.

Som en extra bonus, forskarna upptäckte att deras ljusabsorbenter fungerar även under låga nivåer av solljus på en regnig eller mulen dag.

"Detta betyder att du inte är begränsad till att använda den här tekniken bara i varma länder, eller endast driva processen under sommarmånaderna, " sa doktorand Virgil Andrei, tidningens första författare. "Du kan använda den från gryning till skymning, var som helst i världen."

Forskningen utfördes i Christian Doppler Laboratory for Sustainable SynGas Chemistry vid universitetets kemiavdelning. Det samfinansierades av den österrikiska regeringen och det österrikiska petrokemiska företaget OMV, som letar efter sätt att göra sin verksamhet mer hållbar.

"OMV har varit en ivrig anhängare av Christian Doppler Laboratory under de senaste sju åren. Teamets grundforskning för att producera syngas som bas för flytande bränsle på ett koldioxidneutralt sätt är banbrytande, sade Michael-Dieter Ulbrich, Senior Advisor på OMV.

Andra "konstgjorda blad"-anordningar har också utvecklats, men dessa producerar vanligtvis bara väte. Cambridge-forskarna säger att anledningen till att de har kunnat producera syngas på ett hållbart sätt är tack vare kombinationen av material och katalysatorer de använde.

Dessa inkluderar toppmoderna perovskite ljusabsorbenter, som ger en hög fotospänning och elektrisk ström för att driva den kemiska reaktionen genom vilken koldioxid reduceras till kolmonoxid, i jämförelse med ljusabsorbenter gjorda av kisel eller färgsensibiliserade material. Forskarna använde också kobolt som sin molekylära katalysator, istället för platina eller silver. Kobolt är inte bara billigare, men det är bättre på att producera kolmonoxid än andra katalysatorer.

Teamet tittar nu på sätt att använda sin teknik för att producera ett hållbart flytande bränslealternativ till bensin.

Syngas används redan som byggsten i produktionen av flytande bränslen. "Vad vi skulle vilja göra härnäst, istället för att först göra syngas och sedan omvandla den till flytande bränsle, är att göra det flytande bränslet i ett steg från koldioxid och vatten, sade Reisner, som också är Fellow vid St John's College.

Även om stora framsteg görs när det gäller att generera el från förnybara energikällor som vindkraft och solceller, Reisner säger att utvecklingen av syntetisk bensin är avgörande, eftersom el för närvarande bara kan tillgodose cirka 25 % av vårt totala globala energibehov. "Det finns en stor efterfrågan på flytande bränslen för att driva tunga transporter, sjöfart och luftfart hållbart, " han sa.

"Vi siktar på att hållbart skapa produkter som etanol, som lätt kan användas som bränsle, ", sa Andrei. "Det är utmanande att producera det i ett steg från solljus med hjälp av koldioxidreduktionsreaktionen. Men vi är övertygade om att vi går i rätt riktning, och att vi har rätt katalysatorer, så vi tror att vi kommer att kunna producera en enhet som kan demonstrera denna process inom en snar framtid."