Энергетика, природные ресурсы, инженерные системы

Информационный портал ТЕПЛОКАРТА
  • Главная
    • Главная

      • Твердотопливные котлы и печи, камины
      • Системы отопления и охлаждения
      • Альтернативная энергия
      • Водоснабжение и водоотведение
      • Вентиляция и кондиционирование
      • Оборудование и материалы
      • Энергоэффективность и энергосбережение
      • Природные ресурсы, экология и строительство
      • Ядерная энергетика
      • Новости, обзоры, события
      • Исследования
  • Указатель терминов
  • Облако тегов
  • О портале
    • О портале

      • Разместить статью
Фото: Образец материала солнечного элемента, изготовленного Berkeley Lab методом осаждения на атомном слое. Принадлежит: Marilyn Sargent/Berkeley Lab
Фото: Образец материала солнечного элемента, изготовленного Berkeley Lab методом осаждения на атомном слое. Принадлежит: Marilyn Sargent/Berkeley Lab

Новое достижение в организации искусственного фотосинтеза

Оборудование и материалы

Опубликовано: 22.03.2020

Обновлено: 27.01.2021

 1389

Эта конструкция имитирует реальные живые фотосинтетические клетки, которые разделяют реакции окисления и восстановления органическими мембранными компартментами внутри хлоропласта. Точно так же, как и в природных процессах, мембранные трубки позволяют протекать фотосинтетической реакции на очень коротком расстоянии, сводя к минимуму потери энергии

Многие исследователи по всему миру стремятся использовать фотосинтез - химическую реакцию, происходящую за счет солнечного света, с помощью которой растения и водоросли преобразовывают углекислый газ (CO₂) в клеточное топливо - для энергоснабжения зданий и заправки транспортных средств.

При достижении необходимого уровня технологии, усовершенствовании теоретических моделей и лабораторных прототипов, эта идея, известная как искусственный фотосинтез, потенциально способна генерировать огромное количество возобновляемой энергии с использованием избыточного углекислого газа из нашей атмосферы.

С помощью последних достижений исследователи существенно приблизились к этой цели. Ученые разработали систему искусственного фотосинтеза, состоящую из наноразмерных трубок, в которой могут протекать все ключевые этапы химической реакции при производстве топлива.

Их статья, опубликованная в Advanced Functional Materials [1], демонстрирует конструкцию, где за счет расщепления воды в трубках появляется ускоренный поток протонов, которые, проникая наружу, взаимодействуют с углекислым газом и свободными электронами, образуя молекулы топлива.

Пока под топливом понимается окись углерода, однако, исследователи работают над тем, чтобы в дальнейшем получать метанол. Быстрый протонный поток, который необходим для эффективного использования энергии солнечного света при образовании молекул топлива, в более ранних системах искусственного фотосинтеза не наблюдался.

Теперь, когда исследователи продемонстрировали, как нанотрубки решают фотосинтетические задачи по отдельности, они готовы начать тестирование системы в целом. Центральным блоком станет небольшая прямоугольная «солнечная топливная плитка», размером в несколько сантиметром по сторонам, содержащая миллиарды наноразмерных трубок, зафиксированных между нижними и верхними слоями тонкого, слегка гибкого силиката, пронизанного этими трубками.

«Остаются две нерешенные проблемы». «Одной из них является масштабируемость. Если ставится задача отказаться от ископаемого топлива, то возобновляемую энергию необходимо производить в тераваттах - это соответствует огромному количеству ресурсов. И, кроме этого, это топливо должно быть жидким, чтобы его можно было использовать в существующей инфраструктуре и сочетать с имеющимися технологиями, ценой в триллионы долларов».

Было отмечено, что, как только будет создана модель, отвечающая этим требованиям, строительство фермы, производящей топливо за счет солнечного света, состоящей из множества отдельных топливных плиток может начаться в кратчайшие сроки.

«Мы, как основоположники, должны предоставить материал, который работает, и с которым решены все вопросы, связанные с его производительностью. Инженеры знают, как произвести монтаж этих плиток. Когда будут известны все характеристики материала, размером с квадратные сантиметры, они смогут масштабировать его до квадратных километров».

Как это работает

Каждая крошечная полая трубка, находящаяся внутри плитки, состоит из трех слоев: внутреннего слоя из оксида кобальта, среднего слоя из диоксида кремния и внешнего слоя из диоксида титана.

Во внутреннем слое трубки энергия солнечного света расщепляет воду до состояния влажного воздуха, который проходит через внутреннюю часть каждой трубки, образуя свободные протоны и кислород.

Микроскопическое изображение нанотрубок и схематическое изображение их слоев

Рис. Микроскопическое изображение (верхнее изображение) нанотрубок и (нижнее изображение) схематическое изображение слоев, из которых каждая крошечная трубка состоит. В слое диоксида кремния расположены «молекулярные нити», состоящие из коротких углеводородных соединений, которые соприкасаются с оксидом кобальта и диоксидом титана. Эти нити проводят заряды, которые генерируются поглощающими свет молекулами. Принадлежит: Heinz Frei and Zosia Rostomian/Berkeley Lab

«Эти протоны проходят через наружный слой, где взаимодействуют с диоксидом углерода и образуют монооксид углерода сейчас, и метанол в будущем, участвуя в процессе, катализируемым слоем диоксида титана». «Топливо собирается в пространстве между трубками и может быть легко собрано».

Важно отметить, что средний слой стенки трубки удерживает кислород, образующийся в результате расщепления воды, в ее внутренней части, и блокирует проникновение двуокиси углерода и образующихся молекул топлива снаружи внутрь, тем самым разделяя зоны с двумя очень несовместимыми химическими реакциями.

Эта конструкция имитирует реальные живые фотосинтетические клетки, которые разделяют реакции окисления и восстановления органическими мембранными компартментами внутри хлоропласта. Точно так же, как и в природных процессах, мембранные трубки позволяют протекать фотосинтетической реакции на очень коротком расстоянии, сводя к минимуму потери энергии, которые происходят при перемещении ионов, и предотвращая непреднамеренные химические реакции, которые также снижают эффективность системы.

 

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1002/adfm.201909262

 

Источник: Berkeley Lab

20.65%
1 0
 Теги:

Публикации на похожую тему:

Абсорбционные тепловые насосы для систем отопления

Абсорбционные тепловые насосы для систем отопления

Обновлено: 15.02.2020
 1865
Два процесса в один этап: создание разветвленных трубчатых композиционных материалов за считанные минуты. Предоставлено: Майанк Гарг, Нэнси Соттос, Джефф Мур и Филипп Гебель

Быстрый способ произвести разветвленные трубчатые материалы

Обновлено: 19.08.2021
 631
Фото: Исследователи NREL (слева направо) - Аарон Птак, Wondwosen Metaferia, Дэвид Гилинг и Кевин Шульт разрабатывают содержащие алюминий материалы для солнечных ячеек, содержащих элементы III-V группы периодической таблицы с использованием D-HVPE. Принадлежит: Dennis Schroeder, NREL

Невозможный материал для солнечных батарей стал возможным

Обновлено: 30.05.2020
 1270

Комментарии ()

    Написать комментарий

    Недавние публикации

    Сравнение систем отопления

    Системы отопления для частного дома: сравнение теплого пола и радиаторов, преимущества комбинированного подхода

    Обновлено: 13.11.2024  227
    Центробежные одноступенчатые насосы для сточных вод JETEX KНF/KVF

    Центробежные насосы для сточных вод JETEX - обзор

    Обновлено: 30.01.2024  1806
    Горизонтальный резервуар

    Важные критерии при заказе изготовления горизонтальных резервуаров

    Обновлено: 29.11.2023  1433

    Популярные категории

    • Системы отопления и охлаждения56
    • Альтернативная энергия57
    • Новости, обзоры, события113
    • Природные ресурсы, экология и строительство91
    • Ядерная энергетика6

    Разместить статью

    Портал TEPLOKARTA.RU доступен в Google Play

    Ссылки:

    • Контакты
    • Разместить статью
    • Конфиденциальность
    VK Telegram

    © 2024 Россия. Копировать без ссылки запрещено.  TEPLOKARTA.RU

    Отправить сообщение об ошибке?

    Ошибка:
    Выделите опечатку и нажмите Ctrl + Enter, чтобы отправить сообщение об ошибке.