Нейт Луис относно изкуствената фотосинтеза

Нейт Луис, професорът по химия на Джордж Л. Аргирос в Калифорнийския технологичен институт, работи за разработването на нови технологии, за да отговори на огромните енергийни нужди на бъдещето по устойчив начин. Люис е специализиран в това, което се нарича изкуствена фотосинтеза. В природата фотосинтезата е процесът, който растенията използват за производството на храна от слънчевата енергия. Д-р Люис работи, за да имитира този процес. Използвайки специални материали, той изгражда миниатюрни клетки, които - когато са ударени от светлина и са заобиколени от вода - създават водородно гориво. Водородът изгаря „чист“. Тоест, той не произвежда въглероден диоксид (CO2), когато се изгаря. Този подкаст е част от серията благодарение на химията, произведена в сътрудничество с Фондация за химическо наследство. Базовата спонсорска подкрепа беше предоставена от корпорацията BASF. Допълнителна производствена поддръжка беше осигурена от Фондация Камил и Хенри Дрейфус, DuPont и ExxonMobil. Нейт Люис разговаря с Beth Lebwohl на EarthSky.

Растенията използват слънчева светлина за приготвяне на храна. Това е фотосинтезата. Но вашата лаборатория работи върху изкуствена фотосинтеза. Каква е целта?

Растителни клетки. Кредит за изображения: Кристиан Питърс

Растенията разбраха, че най-добрият начин да направим и използваме чиста енергия е да вземем най-големия ресурс, който имаме - слънцето - и да го превърнем в нещото, което задвижва почти цялата енергия и потребление на нашата планета днес, което е химическо гориво. Но растенията не го правят много ефективно и те правят гориво, което не можем да използваме, поне не директно, освен ако не искате да ядете вкусните зеленчуци, които излизат от него. Но повечето от това, което правят растенията, не може директно да се използва като гориво от хората.

По същия начин, по който птиците имат пера и знаем, че следователно е възможно да летят, но не изграждаме самолети от пера, знаем, че е възможно да поемем слънчевата светлина и да произвеждаме химическо гориво. Ще изградим нашите машини, които ще поемат слънчева светлина и ще направят директно гориво, което всеки може да използва навсякъде и по всяко време за своята енергия.

Нека да поговорим за конкретен продукт от вашата лаборатория фотоелектрохимична клетка, използвана в изкуствената фотосинтеза с цел да се направи водородно гориво - в най-прости възможни условия. Как ще работи?

Знаем, че е възможно с полупроводникови материали като тези, използвани в слънчевите панели, но различен набор от материали като платина и силиций, всъщност да вземем тези материали и вместо да ги покрием с електрически проводници, потапяме материала във вода. И добавяйки слънчева светлина, човек може да раздели тази вода и да произвежда директно водород и кислород. Бихте събрали водорода и след това бихте могли да го използвате по-късно в горивна клетка. Или можете да го преобразувате в течно гориво или да го използвате за други неща. След това ще получите обратно кислорода от въздуха в точката на изгаряне на водорода или другото гориво, което сте направили. Знаем, че това вече работи.

Кредит за изображение: spcbrass

Говорихте за разделяне на вода. Какво точно искаш да кажеш с това?

Водата има химическа формула на H2O. За да го разделите, вие отново жонглирате връзките във водата, за да направите една молекула на Н2 и половината от О2, която прави молекулите кислород, които са във нашия въздух.

Горивото, което се получава от това, е водородът - H2 - защото това може да се съхранява и след това да се изгори. Точно както бензинът се изгаря с кислород от въздуха, така и водородът се изгаря с кислород от въздуха. В този случай, вместо да прави въглероден диоксид, би направил вода. Така че това е чисто горящо, защото единственият страничен продукт всъщност е питейна вода от процеса на горене.

Как изглежда тази фотоелектрохимична клетка? Какво е вътре в него, което го кара да върши тази работа?

Това просто ще бъде гъвкав материал, подобен на Slip 'n Slide или балон, многофункционална тъкан, която ще разточите, и ще има горен прозрачен слой, който ще засмуква вода като гъба от въздух. Тогава междинният слой ще абсорбира слънчевата светлина и ще разгради водните молекули във водород и кислород. Ще оставим кислорода да се обезвъздушава точно като през дъждобрана, когато го оставите да диша. В дъното щяхме да измием или газообразното, или течното гориво, да го съберем в резервоар и след това бихме могли да го използваме, за да управляваме колите си, да пускаме горивни клетки, да правим течни горива, да осигуряваме енергията, която ние нужда дори когато слънцето не свети.

Каква е времевата линия за това? Кога можем да очакваме да видим това на пазара, като цяло или в промишлеността?

Нашата цел е да създадем прототипи, които действително работят през първите две години на този проект, наречен Съвместен център за изкуствена фотосинтеза, който е център за енергийни иновации, спонсориран от Министерството на енергетиката.

И така стартираме много агресивен проект, защото никой всъщност не е изградил генератор на слънчево гориво, който можете да държите в ръка, което е наистина изкуствена фотосинтетична система. Знаем, че първите прототипи, които изграждаме, няма да работят много добре, или може би няма да издържат много дълго или може би използват твърде скъпи парчета. И тогава ще изградим второ и ще работи малко по-добре. И тогава ще изградим третия и той ще работи още по-добре. Ще се учим от грешките си, докато не изградим пета, която наистина е тази, която се опитваме да мислим за преминаването си в търговското предприятие.

Смятаме, че това е развиващо се поколение технологично развитие. Но не можете да летите, докато не слезете от земята, а нашата цел е да слезем от земята, да изградим нещото, което показва, че можем да създадем технология, която може наистина, директно да прави това, което правят растенията, но по-добре, да прави гориво директно от слънцето.

Кои са някои от големите препятствия, пред които сте изправени сега или сте се сблъсквали в миналото по отношение на изкуствената фотосинтеза?

Химически е трудно да се вземат фотоните на светлината и електроните, които се произвеждат волно-неволно навсякъде в материал, и след това да ги свържете заедно, за да направят и разрушим химическите връзки, необходими за извършване на истинска фотосинтеза. Трябва да разработим онези катализатори, които могат да направят това, както и материалите, които да поемат светлината, за да доставят тези електрони на тези катализатори, така че всички парчета от системата да работят заедно в хармония едновременно.

Какъв пример за такъв катализатор?

В момента катализатор, който разделя водата на водород и кислород, би бил скъп метал като платина, съчетан с друг скъп метал като рутений във формата на рутенов диоксид. Знаем, че работят изключително добре. Те просто са твърде скъпи, за да се мисли за използване за покриване на много големи площи, необходими за използване на слънчевата светлина. Знаем, че природата знае как да направи това. Не използва метал. В ензимите, които бъговете използват за производството на водород, те използват желязо, евтин метал, който излиза от ръжда. Те използват никел, същите неща, които използвахме за направата на нашите монети. Така че те използват наистина евтини неща и ние трябва да разберем като химици как да накараме евтините метали да работят също толкова добре, колкото скъпите, за да имаме наистина достъпна технология.

Кое е най-важното нещо, което искате хората да знаят днес?

Най-важното е да знаем, че ако искаме да стигнем до чиста енергийна система, можем да достигнем част от пътя до там със съществуващите технологии, с вятър, със слънчева енергия, с ядрена. Но не можете да стигнете дотам, като просто направите по-евтино това, което знаем. Двете най-големи предизвикателства са как съхранявате огромни количества електроенергия и как правите чисто гориво за 40-те процента транспорт, който не може да бъде електрифициран - нашите кораби, нашите самолети, нашите тежкотоварни камиони? И освен ограничено количество биогорива, единствената техническа игра в града, която би могла да реши и двата проблема, които трябва да решим като планета, за да направим устойчиво, екологично отговорно сигурно бъдеще, е да правим гориво от слънцето. И затова работим толкова усилено по този проект.

Чуйте 8-минутните и 90-секундни интервюта на EarthSky с Нейт Луис относно изкуствената фотосинтеза в горната част на страницата.