Zelenější „umělý list“

Fotosyntéza, přírodní způsob přeměny slunečního světla na palivo, se děje všude kolem nás, od listů na stromě až po nejmenší stéblo trávy. Ale nalezení způsobu, jak tuto schopnost napodobit levně a efektivně, mátlo inženýry po celá desetiletí.

Listy, které nejsou zelené: Křemík potažený levnými katalyzátory štěpí vodu na vodík a kyslík uvnitř osvětlené nádoby s vodou.

Nyní vědci udělali krok k tomuto nepolapitelnému výkonu se zařízením, které je ještě účinnější než přirozená fotosyntéza a spoléhá na levné a bohaté materiály.

Běžné solární články vyrábějí elektřinu, když je fotovoltaický materiál vystaven světlu. Nové zařízení jde ještě o krok dále a využívá výslednou elektřinu k rozdělení vody na vodík a kyslík, které lze skladovat a používat k výrobě elektřiny prostřednictvím palivového článku.

Nové zařízení je stále v raném laboratorním vývoji a před jeho uvedením na trh zbývají značné problémy.

Daniel Nocera , profesor na MIT, odhalil předběžné podrobnosti o zařízení, které nazývá prvním praktickým umělým listem, na národním setkání Americké chemické společnosti v Kalifornii dne 27. března. Zařízení kombinuje komerčně dostupný solární článek s párem levných katalyzátory vyrobené z kobaltu a niklu, které štěpí vodu na kyslík a vodík. Při použití tohoto přístupu by solární panel o velikosti zhruba jednoho metru čtverečního ve vodě mohl produkovat dostatek vodíku k zásobování domu v rozvojové zemi elektřinou ve dne i v noci, říká Nocera.

Pomocí tenkovrstvého křemíkového solárního článku, který přeměňuje energii na světlo se 7procentní účinností, Nocera říká, že jeho skupina dosáhla 5procentní účinnosti pro přeměnu slunečního světla na vodík. Přirozená fotosyntéza je méně než 1 procento účinná při přeměně slunečního záření na energii.

Zařízení není první, které se pokouší vylepšit přirozenou fotosyntézu. Nabízí však výrazné výhody oproti předchozím zařízením, která buď využívala drahé katalyzátory z drahých kovů k štěpení vody na vodík a kyslík, nebo prováděla štěpení vody nepřímo pomocí samostatného zařízení, což je méně účinné a dražší.

Zařízení Nocera je první, které používá levné a hojné katalyzátorové materiály, které jsou zabudovány do solárního článku. Stačí mít kousek křemíku potažený katalyzátory, který můžete vložit do sklenice vody, a začne štěpit vodu na vodík a kyslík, říká.

Zařízení je umožněno několika nedávnými pokroky. Nocera poprvé vyvinula kobaltový katalyzátor schopný štěpit kyslík z vody v roce 2008, ale katalyzátor nemohl být aplikován přímo na křemík, protože by blokoval příchozí sluneční světlo. Pro své nové zařízení Nocera nanesl na křemík tenký film kobaltu, který blokuje pouze 2 až 3 procenta přicházejícího světla. Před aplikací katalyzátoru potáhl křemík tenkou membránou, která jej chrání před oxidací, ale umožňuje průchod elektrického proudu.

Nový katalyzátor na bázi niklu, který nedávno vyvinula také společnost Nocera, je aplikován na druhou stranu křemíku, aby se oddělil vodík od vody. Niklové katalyzátory, které se již používají v jiných zařízeních na dělení vody, známých jako elektrolyzéry, by se rychle staly nepoužitelnými fosfáty a boritany přítomnými ve vodě. Výsledky počátečních zkoušek zařízení byly předloženy k publikaci. Ukazují, že může fungovat nejméně šest dní bez poklesu účinnosti, říká Nocera.

John Turner , výzkumný pracovník z National Renewable Energy Laboratory v Golden, Colorado, říká, že schopnost používat prakticky transparentní kobaltový katalyzátor je klíčovým pokrokem a uváděná účinnost je slibná. Dostává většinu účinnosti z cely, říká Turner. Pokud [začne] s 11 nebo 12procentní buňkou, která je komerčně dostupná, měl by být schopen dělat mnohem lépe. Ale museli bychom vidět, co dokáže, až dostane lepší buňku.

Turner však říká, že Nocera bude muset prokázat výrazně delší provozní doby – desítky tisíc hodin. Mohou mít trvanlivost, ale musí to i nadále ukazovat, říká.

Sun Catalytix , společnost založená Nocerou, bude nyní spolupracovat s indickým průmyslovým gigantem Tata na komercializaci technologie pro rezidenční použití v rozvojových zemích. Společnosti již spolupracují na vývoji dalšího zařízení pro umělou fotosyntézu vyvinutého dříve společností Nocera. Toto počáteční zařízení bude založeno na 100wattovém solárním panelu a bude vyžadovat samostatný elektrolyzér připojený pomocí vodičů k panelu. Měl by se prodávat za cenu kolem 100 dolarů.

Zařízení by také muselo být spárováno s palivovým článkem pro přeměnu uskladněného vodíku na elektřinu. Nocera říká, že doufá, že toto první solárně poháněné zařízení na výrobu vodíku dodá Tatě do konce roku 2011. Nový umělý list by měl být levnější, ale může trvat ještě dva a půl roku, než bude připraven komerční prototyp, říká Nocera.

James Stevens, výzkumný pracovník společnosti Dow Chemical, říká, že tato technologie má před sebou ještě dlouhou cestu. Je toho hodně, co je třeba udělat, než to bude praktické, říká. Efektivita je nízká a kapitálové náklady těchto věcí jsou velmi vysoké.

Další praktické problémy, jako je bezpečné skladování plynného vodíku a zabránění zamrznutí systému při teplotách pod nulou, jsou také významnými výzvami, říká Stevens. Skutečně nás nezajímá současný stav umění, říká.

skrýt