Forskare har utvecklat flytande "konstgjorda löv" som genererar rena bränslen från solljus och vatten, och som så småningom kan fungera i stor skala till havs.

Forskarna från University of Cambridge designade ultratunna, flexibla enheter, som hämtar inspiration från fotosyntesen – den process genom vilken växter omvandlar solljus till mat. Eftersom de billiga, autonoma enheterna är lätta nog att flyta, skulle de kunna användas för att generera ett hållbart alternativ till bensin utan att ta plats på land.

Utomhustester av lättviktslöven på floden Cam – nära ikoniska Cambridge-platser, inklusive Bridge of Sighs, Wren Library och King's College Chapel – visade att de kan omvandla solljus till bränslen lika effektivt som växternas löv.

Det här är första gången som rent bränsle har genererats på vatten, och om de skalas upp kan de konstgjorda löven användas på förorenade vattendrag, i hamnar eller till och med till havs, och kan bidra till att minska den globala sjöfartsindustrins beroende av fossila bränslen. Resultaten redovisas i tidskriften Nature .

Medan tekniker för förnybar energi, som vind och solenergi, har blivit betydligt billigare och mer tillgängliga under de senaste åren, är avkarbonisering en mycket högre ordning för industrier som sjöfart. Omkring 80 % av den globala handeln transporteras med lastfartyg som drivs av fossila bränslen, men sektorn har fått anmärkningsvärt lite uppmärksamhet i diskussionerna kring klimatkrisen.

Professor Erwin Reisners forskargrupp i Cambridge har under flera år arbetat med att ta itu med detta problem genom att utveckla hållbara lösningar för bensin som bygger på principerna för fotosyntes. Under 2019 utvecklade de ett konstgjort blad som gör syngas – en viktig mellanprodukt i produktionen av många kemikalier och läkemedel – från solljus, koldioxid och vatten.

Den tidigare prototypen genererade bränsle genom att kombinera två ljusabsorbenter med lämpliga katalysatorer. Den innehöll dock tjocka glassubstrat och fuktskyddande beläggningar, vilket gjorde enheten skrymmande.

"Konstgjorda löv kan avsevärt sänka kostnaden för hållbar bränsleproduktion, men eftersom de är både tunga och ömtåliga är de svåra att producera i stor skala och transport", säger Dr. Virgil Andrei från Cambridges Yusuf Hamied Department of Chemistry, tidningens tidning. medförfattare.

"Vi ville se hur långt vi kan trimma ner materialen som dessa enheter använder, utan att påverka deras prestanda", säger Reisner, som ledde forskningen. "Om vi ​​kan trimma ner materialen tillräckligt långt så att de är lätta nog att flyta, så öppnar det upp för helt nya sätt att dessa konstgjorda löv kan användas."

För den nya versionen av det konstgjorda bladet tog forskarna sin inspiration från elektronikindustrin, där miniatyriseringstekniker har lett till skapandet av smartphones och flexibla skärmar, vilket revolutionerat området.

Utmaningen för Cambridge-forskarna var hur man avsatte ljusabsorbenter på lätta substrat och skyddar dem mot vatteninfiltration. För att övervinna dessa utmaningar, teamet tunnfilmsmetalloxider och material som kallas perovskiter, som kan beläggas på flexibla plast- och metallfolier. Enheterna täcktes med mikrometertunna, vattenavvisande kolbaserade lager som förhindrade nedbrytning av fukt. De slutade med en enhet som inte bara fungerar, utan också ser ut som ett riktigt löv.

"Denna studie visar att konstgjorda löv är kompatibla med modern tillverkningsteknik, vilket representerar ett tidigt steg mot automatisering och uppskalning av solbränsleproduktion", säger Andrei. "Dessa löv kombinerar fördelarna med de flesta solbränsleteknologier, eftersom de uppnår den låga vikten av pulversuspensioner och den höga prestandan hos trådbundna system."

Tester av de nya konstgjorda löven visade att de kan dela vatten till väte och syre, eller minska CO₂ till syngas. Även om ytterligare förbättringar kommer att behöva göras innan de är redo för kommersiella tillämpningar, säger forskarna att denna utveckling öppnar helt nya vägar i deras arbete.

"Solgårdar har blivit populära för elproduktion; vi föreställer oss liknande gårdar för bränslesyntes", sa Andrei. "Dessa kan försörja kustnära bosättningar, avlägsna öar, täcka industridammar eller undvika vattenavdunstning från bevattningskanaler."

"Många tekniker för förnybar energi, inklusive solbränsleteknik, kan ta upp stora mängder utrymme på land, så att flytta produktionen till öppet vatten skulle innebära att ren energi och markanvändning inte konkurrerar med varandra", säger Reisner. "I teorin kan du rulla ihop dessa enheter och placera dem nästan var som helst, i nästan vilket land som helst, vilket också skulle hjälpa till med energisäkerhet." + Utforska vidare

Jordnära solpixlar har visat sig producera väte i veckor