Ett grönare 'konstgjort blad'

Fotosyntes, naturens sätt att omvandla solljus till bränsle, sker överallt omkring oss, från löv på ett träd till det minsta grässtrån. Men att hitta ett sätt att efterlikna förmågan billigt och effektivt har förvirrat ingenjörer i årtionden.

Blad som inte är gröna: Kisel belagt med billiga katalysatorer delar upp vatten till väte och syre inuti en upplyst behållare med vatten.

Nu har forskare tagit ett steg mot denna svårfångade bedrift, med en enhet som är ännu effektivare än naturlig fotosyntes och förlitar sig på billiga, rikliga material.

Konventionella solceller producerar elektricitet när ett solcellsmaterial utsätts för ljus. Den nya enheten går ett steg längre och använder den resulterande elektriciteten för att dela upp vatten till väte och syre, som kan lagras och användas för att generera elektricitet via en bränslecell.

Den nya enheten är fortfarande i tidig laboratorieutveckling och betydande utmaningar kvarstår innan den kan kommersialiseras.

Daniel Nocera , en professor vid MIT, avslöjade preliminära detaljer om enheten, som han kallar det första praktiska konstgjorda bladet, vid det nationella mötet för American Chemical Society i Kalifornien den 27 mars. Enheten kombinerar en kommersiellt tillgänglig solcell med ett par billiga katalysatorer gjorda av kobolt och nickel som delar vatten till syre och väte. Med detta tillvägagångssätt skulle en solpanel på ungefär en kvadratmeter badad i vatten kunna producera tillräckligt med väte för att förse ett hus i ett utvecklingsland med elektricitet för både dag och natt, säger Nocera.

Genom att använda en tunnfilms kiselsolcell som omvandlar energin till ljus med 7 procent effektivitet, säger Nocera att hans grupp uppnådde 5 procent effektivitet för omvandlingen av solljus till väte. Naturlig fotosyntes är mindre än 1 procent effektiv för att omvandla solljus till energi.

Enheten är inte den första som försöker förbättra naturlig fotosyntes. Det erbjuder dock tydliga fördelar jämfört med tidigare enheter, som antingen använde dyra ädelmetallkatalysatorer för att dela vatten i väte och syre, eller utförde vattenuppdelningen indirekt med en separat enhet, som är mindre effektiv och dyrare.

Noceras enhet är den första som använder billiga och rikliga katalysatormaterial som ingår i solcellen. Du har bara en bit kisel belagd med katalysatorer som du kan lägga i ett glas vatten, och det börjar dela vattnet i väte och syre, säger han.

Enheten har möjliggjorts av flera senaste framsteg. Nocera utvecklade först en koboltkatalysator som kunde dela syre från vatten 2008, men katalysatorn kunde inte appliceras direkt på kisel eftersom den skulle blockera inkommande solljus. För sin nya enhet applicerade Nocera en tunn film av kobolt på kislet som blockerar endast 2 till 3 procent av inkommande ljus. Innan han applicerade katalysatorn belade han kislet med ett tunt membran som skyddar det från oxidation men låter elektrisk ström passera.

En ny nickelbaserad katalysator som också utvecklats nyligen av Nocera appliceras på den andra sidan av kislet för att klyva väte från vatten. De nickelkatalysatorer som redan används i andra vattenklyvningsanordningar kända som elektrolysörer skulle snabbt göras oanvändbara av fosfat och borat som finns i vattnet. Resultaten av de första testerna av enheten har skickats in för publicering. De visar att den kan fungera i minst sex dagar utan att effektiviteten minskar, säger Nocera.

John Turner , en forskare vid National Renewable Energy Laboratory i Golden, Colorado, säger att förmågan att använda en praktiskt taget transparent koboltkatalysator är ett viktigt framsteg, och den rapporterade effektiviteten är lovande. Han får ut det mesta av effektiviteten ur cellen, säger Turner. Om han [börjar med] en 11 eller 12 procents cell, som är kommersiellt tillgänglig, borde han kunna göra mycket bättre. Men vi skulle behöva se vad han kan göra när han får en bättre cell.

Men, säger Turner, Nocera kommer att behöva visa betydligt längre körtider - tiotusentals timmar. De kanske har hållbarheten, men de måste fortsätta visa det, säger han.

Sun Catalytix , ett företag grundat av Nocera, kommer nu att arbeta med den indiska industrijätten Tata för att kommersialisera tekniken för bostadsanvändning i utvecklingsländer. Företagen arbetar redan tillsammans för att utveckla en annan artificiell fotosyntesenhet som tidigare utvecklats av Nocera. Den här initiala enheten kommer att baseras på en 100-watts solpanel och kommer att kräva en separat elektrolysator som är ansluten med kablar till panelen. Den borde sälja för runt 100 dollar.

Enheten skulle också behöva paras ihop med en bränslecell för att omvandla lagrat väte till elektricitet. Nocera säger att han hoppas kunna leverera denna första soldrivna väteproducerande enhet till Tata i slutet av 2011. Det nya konstgjorda bladet borde vara billigare, men det kan dröja ytterligare två och ett halvt år innan en kommersiell prototyp skulle vara klar, säger Nocera.

James Stevens, en forskare vid Dow Chemical, säger att tekniken fortfarande har en lång väg att gå. Det är mycket som måste göras innan det här kan bli praktiskt, säger han. Effektiviteten är låg och kapitalkostnaderna för dessa saker är mycket höga.

Andra praktiska frågor, som att säkert lagra vätgas och förhindra att systemet fryser i minusgrader, är också betydande utmaningar, säger Stevens. Vi är inte riktigt intresserade av den senaste tekniken som den ser ut nu, säger han.

Dölj