Terwijl kunstmatige bladeren veelbelovend zijn als een manier om koolstofdioxide - een krachtig broeikasgas - uit de atmosfeer te halen, er is een "donkere kant aan kunstmatige bladeren die al meer dan een decennium over het hoofd wordt gezien, " volgens Meenesh Singh, assistent-professor chemische technologie aan de Universiteit van Illinois aan het Chicago College of Engineering.

Kunstmatige bladeren werken door koolstofdioxide om te zetten in brandstof en water in zuurstof met behulp van energie van de zon. De twee processen vinden afzonderlijk en gelijktijdig plaats aan weerszijden van een fotovoltaïsche cel:de zuurstof wordt geproduceerd aan de "positieve" kant van de cel en brandstof wordt geproduceerd aan de "negatieve" kant.

Singh, wie is de corresponderende auteur van een nieuw artikel in? ACS toegepaste energiematerialen , zegt dat de huidige kunstmatige bladeren enorm inefficiënt zijn. Ze zetten uiteindelijk slechts 15% van de koolstofdioxide die ze opnemen in brandstof om en laten 85% daarvan vrij, samen met zuurstofgas, terug naar de atmosfeer.

"De kunstmatige bladeren die we vandaag hebben, zijn niet echt klaar om hun belofte als koolstofafvangoplossingen waar te maken, omdat ze niet zoveel koolstofdioxide opnemen, En in feite, het grootste deel van het kooldioxidegas dat ze binnenkrijgen vrijgeven van de zuurstofontwikkelende 'positieve' kant, ' zei Singh.

De reden waarom kunstmatige bladeren zoveel koolstofdioxide afgeven aan de atmosfeer heeft te maken met waar de koolstofdioxide in de foto-elektrochemische cel terechtkomt.

Wanneer koolstofdioxide de cel binnenkomt, het reist door de elektrolyt van de cel. In de elektrolyt, de opgeloste kooldioxide verandert in bicarbonaatanionen, die door het membraan naar de "positieve" kant van de cel reizen, waar zuurstof wordt geproduceerd. Deze kant van de cel heeft de neiging erg zuur te zijn door de splitsing van water in zuurstofgas en protonen. Wanneer de bicarbonaatanionen een interactie aangaan met de zure elektrolyt aan de anodezijde van de cel, koolstofdioxide wordt geproduceerd en vrijgegeven met zuurstofgas.

Singh merkte op dat een soortgelijk fenomeen van kooldioxide-afgifte in het kunstmatige blad te zien is in de keuken wanneer zuiveringszout (bicarbonaatoplossing) wordt gemengd met azijn (zure oplossing) om een ​​bruisend kooldioxide-bubbels vrij te geven.

Om dit probleem op te lossen, Singh, in samenwerking met Caltech-onderzoekers Meng Lin, Lihao Han en Chengxiang Xiang, bedacht een systeem dat een bipolair membraan gebruikt dat voorkomt dat de bicarbonaatanionen de "positieve" kant van het blad bereiken, terwijl het geproduceerde proton wordt geneutraliseerd.

Het membraan dat tussen de twee zijden van de foto-elektrochemische cel is geplaatst, houdt het kooldioxide weg van de zure kant van het blad, voorkomen dat het terug in de atmosfeer ontsnapt. Kunstmatige bladeren die dit gespecialiseerde membraan gebruikten, zetten 60% tot 70% van de koolstofdioxide die ze innamen in brandstof om.

"Onze bevinding vertegenwoordigt een nieuwe stap in het realiseren van kunstmatige bladeren door het gebruik van koolstofdioxide te verhogen, ' zei Singh.

Eerder dit jaar, Singh en collega's publiceerden een paper in ACS Sustainable Chemistry &Engineering, waar ze een oplossing voorstelden voor een ander probleem met kunstmatige bladeren:de huidige modellen gebruiken kooldioxide onder druk uit tanks, niet de sfeer.

Hij stelde een ander gespecialiseerd membraan voor waarmee de bladeren koolstofdioxide rechtstreeks uit de atmosfeer kunnen opnemen. Singh legt uit dat dit idee, samen met de bevindingen in deze huidige publicatie over het gebruik van meer koolstofdioxidevangsten, moet helpen om kunstmatige bladtechnologie volledig implementeerbaar te maken.