科學家開發漂浮的“人造樹葉” 用陽光和水產生清潔燃料

科學家們已經開發出漂浮的“人造樹葉”,可以從陽光和水中產生清潔燃料。它們最終可以在海上大規模地運行。劍橋大學的研究人員設計了這種超薄、靈活的設備,其靈感來自於光合作用。由於這種低成本的自主設備足夠輕,可以漂浮,它們可以被用來產生一種可持續的汽油替代品,而不佔用陸地空間。

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在卡姆河上對這些輕質葉子進行的戶外測試表明,它們可以像植物葉子一樣有效地將陽光轉化為燃料。卡姆河是流經英格蘭東部劍橋的主要河流,測試發生在劍橋的標誌性景點附近,包括嘆息橋、雷恩圖書館和國王學院禮拜堂。

這是第一次在水上產生清潔燃料。如果擴大規模,這種人造樹葉可以用於受污染的水道、港口,甚至是海上,並且可以幫助減少全球航運業對化石燃料的依賴。這些結果於8月17日在《自然》雜誌上報告。

近年來,可再生能源技術,如風能和太陽能,已經變得非常便宜和可用。然而,對於航運等行業來說,去碳化是一個更高的要求。大約80%的全球貿易是由化石燃料驅動的貨船運輸的,但該行業在有關氣候危機的討論中得到的關註明顯不足。

幾年來,劍橋大學 Erwin Reisner教授的研究小組一直在努力解決這個問題,開發基於光合作用原理的可持續汽油解決方案。2019年,他們開發了一種人造樹葉,它從陽光、二氧化碳和水中製造合成氣。合成氣是許多化學品和藥品生產中的一個關鍵中間體。

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早期的原型通過將兩個光吸收器與合適的催化劑結合起來生產燃料。然而,它結合了厚厚的玻璃基板和防潮塗層,這使得該設備很笨重。

“人造樹葉可以大大降低可持續燃料生產的成本,但由於它們既重又脆弱,它們很難大規模生產和運輸,”來自劍橋大學優素福-哈米德化學系的Virgil Andrei博士說,他是該論文的共同牽頭人。

領導這項研究的Reisner說:“我們想看看我們能在多大程度上縮減這些設備使用的材料,同時不影響其性能。如果我們能將材料修剪到足夠輕的程度,使它們能夠漂浮,那麼它就為這些人造樹葉的使用開闢了全新的途徑。”

對於新版本的人造樹葉,科學家們從電子行業獲得了靈感。那裡的微型化技術導致了智能手機和柔性顯示器的誕生,徹底改變了該領域。

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劍橋大學研究小組面臨的挑戰是如何將光吸收劑沉積在輕質基材上,並保護它們免受水的滲透。為了克服這些挑戰,研究人員使用了薄膜金屬氧化物和被稱為鈣鈦礦的材料,這些材料可以被塗在柔性塑料和金屬箔上。這些設備被覆蓋在微米級薄的憎水碳基層上,以防止水分降解。結果是一個不僅能工作,而且看起來像真的樹葉的裝置。

Andrei說:“這項研究表明,人造樹葉與現代製造技術兼容,代表着向太陽能燃料生產的自動化和規模化邁出的第一步。這些葉子結合了大多數太陽能燃料技術的優點,因為它們實現了粉末懸浮液的低重量和有線系統的高性能。”

對新的人造樹葉的測試表明,它們可以將水分解成氫氣和氧氣,或將二氧化碳還原成合成氣。雖然在它們準備用於商業應用之前還需要進行更多的改進,但科學家們說這一發展為他們的工作打開了全新的途徑。

Andrei表示:“太陽能發電廠已經成為流行的電力生產;我們設想類似的發電廠用於燃料合成。這些可以供應沿海居民點、偏遠島嶼,覆蓋工業池塘,或避免灌溉渠的水蒸發。”

“許多可再生能源技術,包括太陽能燃料技術,可以在陸地上佔用大量空間,因此將生產轉移到開放水域將意味着清潔能源和土地使用不相互競爭,” Reisner說。“從理論上講,你可以把這些設備捲起來,放在幾乎任何國家的任何地方,這也將有助於能源安全。”