U toku je trka za razvoj nove generacije tečnih goriva koja se aktiviraju sunčevom svetlošću, a istraživači sa Jejla pomažu da prednjače.
Tokom protekle decenije, osnovna istraživanja usmerena na stvaranje održivog tečnog goriva na solarni pogon dostigla su raskrsnicu. Novi poluprovodnički materijali mogu efikasno da hvataju sunčevu svetlost i katalizuju konverziju ugljen-dioksida u vredne proizvode, kao što su tečna goriva. Međutim, često je izazov formirati jedan proizvod. Molekularni katalizatori mogu da formiraju jedan proizvod od ugljen-dioksida (CO 2 ), ali nisu stabilni. Shodno tome, mnogi naučnici kažu da nijedan od ovih pristupa nije adekvatan za proizvodnju velikih razmera.
Ali sada se pojavljuje treća metodologija. Hemičari sa Jejla uključeni u Centar za hibridne pristupe solarnoj energiji (CHASE) kombinuju nove poluprovodničke materijale sa novim molekularnim katalizatorima u moćnije, modernizovane procese koji mogu biti skalabilni za širu upotrebu.
Ovaj obećavajući novi pristup, koji je opisan u dve nedavne studije, predstavlja pristup „najbolje iz oba sveta“, kažu istraživači, koji bi mogao da dovede do proizvoda alternativnog goriva koji menjaju igru i koji imaju dodatnu prednost uklanjanja CO 2 iz vazduha.
„Oba ova rada mi daju veliku nadu da hibridni pristup može da funkcioniše“, rekla je Elenor Stjuart-Džons, diplomirani student na Jejlskom odseku za hemiju i koautor jedne od studija. „Definitivno pronalazimo nove načine da poboljšamo ili poboljšamo reaktivnost.“
Otprilike desetak članova fakulteta i postdiplomaca sa Jejla su deo CHASE-a, istraživačkog centra za solarnu energiju koji se finansira iz federalnih jedinica koje se sastoji od šest američkih istraživačkih institucija i sa sedištem na Univerzitetu Severne Karoline-Čapel Hil. CHASE-ova misija je da ubrza istraživanja koja mogu dovesti do proizvodnje tečnih goriva iz sunčeve svetlosti, vode, azota i ugljen-dioksida.
Jejlov kontingent uključuje Nilai Hazari, profesor hemije Džona Rendolfa Hafmana; James Maier, Charlotte Fitch Roberts profesor hemije; i Hailiang Vang, profesor hemije, svi sa Fakulteta nauka i umetnosti.
„Bilo je inspirativno videti posvećenost koju naši studenti, postdoktorski istraživači i naše kolege u partnerskim institucijama daju ovom poslu“, rekao je Vang. „Svako novo otkriće nas približava razvoju tehnologije neophodne za praktična solarna goriva.
Jejlova istraživačka genijalnost je glavna i centralna tačka u dve nove studije CHASE, obe objavljene u časopisu Američkog hemijskog društva. Oni se fokusiraju na fotoelektrode na bazi silicijuma — komponente u solarnim baterijama koje uvlače sunčevu svetlost i pretvaraju je u električnu energiju.
U prvoj studiji, koju su vodili Vangova laboratorija na Jejlu i laboratorija Tiankuan Lian na Univerzitetu Emori, istraživači su konstruisali elektrodu koja se sastoji od niza silicijumskih mikrostubova, obloženih slojem superhidrofobnog fluorovanog ugljenika.
Ova strategija je povećala ukupnu površinu elektrode i dovela do dramatičnog porasta katalitičke aktivnosti. „Videli smo značajno povećanje, do 17 puta veću katalitičku aktivnost od prethodnog rekorda za silicijumske fotoelektrode“, rekao je Bo Shang, diplomirani student hemije na Jejlu i koautor studije.
Ovaj pristup je doveo do najefikasnije CO 2 fotoelektrokatalitičke konverzije sunčeve svetlosti u metanol, zasnovanu na silicijumu, ikad prijavljenih. Metanol je bezbojno, alternativno tečno gorivo.
Za drugu studiju, laboratorije na Jejlu iz Maiera i Hazarija sarađivale su na procesu koji uključuje tanke pločice poroznog silicijuma, oblika silicijuma koji je urezan kanalima zvanim nanopore. Istraživači su pričvrstili molekularni renijumski katalizator na ove pločice elektroda.
„Prema našim saznanjima, ovo je prvi put da je neko pričvrstio molekularni katalizator na porozni silicijum“, rekao je Stjuart-Džons, diplomirani student u Maierovoj laboratoriji i koautor studije.
Nastala hemijska reakcija, izazvana sunčevom svetlošću, transformiše CO 2 u ugljen monoksid na konzistentniji i ponovljiviji način nego kada su molekularni katalizatori upareni sa ravnim, neporoznim silicijumom.
„Uspešno smo imobilisali efikasan molekularni katalizator za redukciju CO 2 na silicijumski materijal koji apsorbuje sunčevu svetlost“, rekao je Ksiaofan Jia, postdoktorski istraživač u laboratoriji Hazari i drugi koautor studije. „Ovo omogućava uređaju da direktno koristi energiju sunčeve svetlosti za proizvodnju goriva.“
Zajedno, obe studije ističu raznolikost i kreativnost CHASE projekta, rekao je Vang.
„Ova dva rada razvijaju fotoelektrode za redukciju CO 2 sa silicijumom i molekularnim katalizatorom, ali imaju veoma različite pristupe“, rekao je Vang.
