Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) aproveitaram o poder da fotossíntese para converter dióxido de carbono em combustíveis e álcoois com eficiências muito maiores do que as plantas. A conquista representa um marco significativo no esforço de avançar em direção a fontes sustentáveis ​​de combustível.

Muitos sistemas reduziram com sucesso o dióxido de carbono em precursores químicos e de combustível, como o monóxido de carbono ou uma mistura de monóxido de carbono e hidrogênio conhecido como gás de síntese. Este novo trabalho, descrito em um estudo publicado na revista Energia e Ciência Ambiental , é o primeiro a demonstrar com sucesso a abordagem de ir do dióxido de carbono diretamente aos produtos-alvo, ou seja, etanol e etileno, em eficiências de conversão de energia que rivalizam com as contrapartes naturais.

Os pesquisadores fizeram isso otimizando cada componente de um sistema fotovoltaico-eletroquímico para reduzir a perda de tensão, e criar novos materiais quando os existentes não bastassem.

"Este é um desenvolvimento empolgante, "disse o investigador principal do estudo, Joel Ager, um cientista do Berkeley Lab com nomeações conjuntas nas divisões de Ciências dos Materiais e Ciências Químicas. "À medida que os níveis crescentes de CO2 na atmosfera mudam o clima da Terra, a necessidade de desenvolver fontes sustentáveis ​​de energia tornou-se cada vez mais urgente. Nosso trabalho aqui mostra que temos um caminho plausível para fazer combustíveis diretamente da luz solar. "

Esse caminho do sol para o combustível está entre os principais objetivos do Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), um Centro de Inovação de Energia DOE estabelecido em 2010 para promover a pesquisa de combustível solar. O estudo foi conduzido no campus do Berkeley Lab do JCAP.

O foco inicial da pesquisa do JCAP foi abordar a divisão eficiente da água no processo de fotossíntese. Tendo alcançado amplamente essa tarefa usando vários tipos de dispositivos, Os cientistas do JCAP que realizam a redução de dióxido de carbono movida a energia solar começaram a se dedicar a alcançar eficiências semelhantes às demonstradas para divisão de água, considerado por muitos como o próximo grande desafio na fotossíntese artificial.

Outro grupo de pesquisa do Berkeley Lab está enfrentando esse desafio concentrando-se em um componente específico de um sistema fotovoltaico-eletroquímico. Em um estudo publicado hoje, eles descrevem um novo catalisador que pode alcançar a conversão de dióxido de carbono em multicarbono usando entradas de energia recordes.

Não só ao meio-dia

Para este estudo JCAP, pesquisadores desenvolveram um sistema completo para funcionar em diferentes horários do dia, não apenas a um nível de energia de luz de iluminação solar, que é equivalente ao pico de brilho ao meio-dia em um dia ensolarado. Eles variaram o brilho da fonte de luz para mostrar que o sistema permaneceu eficiente mesmo em condições de pouca luz.

Quando os pesquisadores acoplaram os eletrodos às células fotovoltaicas de silício, eles alcançaram eficiências de conversão solar de 3 a 4 por cento para iluminação de 0,35 a 1 sol. Mudar a configuração para alto desempenho, A célula solar em tandem conectada em tandem produziu uma eficiência de conversão em hidrocarbonetos e oxigenados superior a 5 por cento na iluminação de 1 sol.

"Dançamos um pouco no laboratório quando atingimos 5 por cento, "disse Ager, que também tem uma nomeação como professor adjunto no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UC Berkeley.

Entre os novos componentes desenvolvidos pelos pesquisadores estão um cátodo nanocoral de cobre e prata, que reduz o dióxido de carbono a hidrocarbonetos e oxigenados, e um ânodo de nanotubo de óxido de irídio, que oxida a água e cria oxigênio.

"O bom recurso do nanocoral é que, como plantas, pode fazer os produtos-alvo em uma ampla gama de condições, e é muito estável, "disse Ager.

Os pesquisadores caracterizaram os materiais no Centro Nacional de Microscopia Eletrônica da Fundição Molecular, um DOE Office of Science User Facility no Berkeley Lab. Os resultados os ajudaram a entender como os metais funcionavam no cátodo bimetálico. Especificamente, eles aprenderam que a prata ajuda na redução do dióxido de carbono em monóxido de carbono, enquanto o cobre é coletado daí para reduzir ainda mais o monóxido de carbono a hidrocarbonetos e álcoois.

Buscando o melhor, separações de baixa energia

Como o dióxido de carbono é uma molécula teimosamente estável, quebrá-lo normalmente envolve uma entrada significativa de energia.

"Reduzir o CO2 a um produto final de hidrocarboneto, como etanol ou etileno, pode levar até 5 volts, do começo ao fim, "disse o autor principal do estudo, Gurudayal, pós-doutorado no Berkeley Lab. "Nosso sistema reduziu isso pela metade, mantendo a seletividade dos produtos."

Notavelmente, os eletrodos operaram bem na água, um ambiente de pH neutro.

"Os grupos de pesquisa que trabalham com ânodos o fazem principalmente em condições alcalinas, uma vez que os ânodos normalmente requerem um ambiente de alto pH, o que não é ideal para a solubilidade de CO2, "disse Gurudayal." É muito difícil encontrar um ânodo que funcione em condições neutras. "

Os pesquisadores personalizaram o ânodo cultivando os nanotubos de óxido de irídio em uma superfície de óxido de zinco para criar uma área de superfície mais uniforme para melhor suportar as reações químicas.

"Trabalhando em cada etapa com tanto cuidado, esses pesquisadores demonstraram um nível de desempenho e eficiência que as pessoas não achavam possível neste momento, "disse a química do Berkeley Lab, Frances Houle, Diretor adjunto do JCAP para Integração de Ciência e Pesquisa, que não fez parte do estudo. "Este é um grande passo em frente no design de dispositivos para redução eficiente de CO2 e teste de novos materiais, e fornece uma estrutura clara para o avanço futuro de dispositivos de redução de CO2 movidos a energia solar totalmente integrados. "