Een nieuwe kunstmatige fotosynthesebenadering gebruikt zonlicht om koolstofdioxide om te zetten in methaan, die zouden kunnen helpen om apparaten op aardgas CO2-neutraal te maken.

Methaan is het hoofdbestanddeel van aardgas. Fotosynthese is het proces waarbij groene planten zonlicht gebruiken om voor zichzelf voedsel te maken van koolstofdioxide en water, zuurstof als bijproduct vrijgeven. Kunstmatige fotosynthese heeft vaak tot doel koolwaterstofbrandstoffen te produceren, vergelijkbaar met aardgas of benzine, van hetzelfde uitgangsmateriaal.

De methaangenererende methode wordt mogelijk gemaakt door een nieuwe katalysator die is ontwikkeld door een samenwerking tussen de Universiteit van Michigan, McGill University en McMaster University. Een paper over de bevindingen is gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences .

De katalysator op zonne-energie is gemaakt van overvloedige materialen en werkt in een configuratie die in massa kan worden geproduceerd. De onderzoekers denken dat het binnen 5-10 jaar schoorsteenkooldioxide kan recyclen tot schoon brandende brandstof.

"Dertig procent van de energie in de VS komt van aardgas, " zei Zetian Mi, U-M hoogleraar elektrotechniek en informatica, die samen met Jun Song het werk leidde, hoogleraar materiaalkunde aan de McGill University. "Als we groen methaan kunnen opwekken, het is een groot probleem."

De belangrijkste vooruitgang is dat het team relatief grote elektrische stromen heeft gebruikt met een apparaat dat massaal moet kunnen worden geproduceerd. Het is ook bijzonder goed in het kanaliseren van die elektriciteit naar de vorming van methaan, waarbij de helft van de beschikbare elektronen naar methaanproducerende reacties gaat in plaats van naar bijproducten zoals waterstof of koolmonoxide.

"Eerdere kunstmatige fotosynthese-apparaten werken vaak met een kleine fractie van de maximale stroomdichtheid van een siliciumapparaat, overwegende dat we hier werken op 80 of 90 procent van het theoretische maximum met behulp van industrieklare materialen en aardrijke katalysatoren, " zei Baowen Zhou, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Mi die aan dit project werkt.

Het omzetten van koolstofdioxide in methaan is een zeer moeilijk proces. De koolstof moet worden gewonnen uit CO ₂ , dat kost veel energie omdat koolstofdioxide een van de meest stabiele moleculen is. Hetzelfde, H2O moet worden afgebroken om de waterstof aan de koolstof te hechten. Elke koolstof heeft vier waterstofatomen nodig om methaan te worden, wat zorgt voor een gecompliceerde dans met acht elektronen (elke koolstof-waterstofbinding heeft twee elektronen, en er zijn vier bindingen).

Het ontwerp van de katalysator is cruciaal voor het succes van de reactie.

"De vraag van een miljoen dollar is hoe je snel door de enorme materiaalruimte kunt navigeren om het optimale recept te identificeren, ' zei Lied.

Het theoretische en computationele werk van zijn team identificeerde de belangrijkste katalysatorcomponent:nanodeeltjes van koper en ijzer. Het koper en ijzer houden moleculen vast door hun koolstof- en zuurstofatomen, tijd kopen voor waterstof om de sprong van de watermolecuulfragmenten naar het koolstofatoom te maken.

Het apparaat is een soort zonnepaneel bezaaid met nanodeeltjes van koper en ijzer. Het kan de energie van de zon of een elektrische stroom gebruiken om de koolstofdioxide en het water af te breken.

De basislaag is een siliciumwafel, niet anders dan die al in zonnepanelen. Die wafel is bedekt met nanodraden, elk 300 nanometer (0,0003 millimeter) lang en ongeveer 30 nanometer breed, gemaakt van de halfgeleider galliumnitride.

De opstelling creëert een groot oppervlak waarover de reacties kunnen plaatsvinden. De nanodeeltjes-gevlekte nanodraden zijn bedekt met een dunne film van water.

Het apparaat kan worden ontworpen om alleen op zonne-energie te werken, of de methaanproductie kan worden opgevoerd met een supplement van elektriciteit. Alternatief, rijden op elektriciteit, het apparaat zou mogelijk in het donker kunnen werken.

In praktijk, het kunstmatige fotosynthesepaneel zou moeten worden aangesloten op een bron van geconcentreerde koolstofdioxide, bijvoorbeeld kooldioxide opgevangen uit industriële schoorstenen. Het apparaat kan ook worden geconfigureerd om synthetisch aardgas (syngas) of mierenzuur te produceren, een veelgebruikt conserveermiddel in diervoeder.