Sol + Vatten = Bränsle

Jag ska visa dig något som jag inte har visat någon ännu, sa Daniel Nocera, professor i kemi vid MIT, i maj i ett auditorium fyllt med forskare och amerikanska energitjänstemän. Han bad husföreståndaren att sänka lamporna. Sedan startade han en video. Kan du se det? frågade han upprymt och pekade på bubblorna som stiger från en remsa av material nedsänkt i vatten. Syre rinner av denna elektrod. Sedan tillade han, något kryptiskt, This is the future. Vi har bladet.

Blad avund: MIT-kemisten Daniel Nocera har härmat steget i fotosyntesen där gröna växter delar vatten.

Vad Nocera visade var en reaktion som genererar syre från vatten ungefär som gröna växter gör under fotosyntesen – en prestation som kan få djupgående konsekvenser för energidebatten. Genomförd med hjälp av en katalysator han utvecklat, är reaktionen det första och svåraste steget i att klyva vatten för att göra vätgas. Och att effektivt generera väte från vatten, tror Nocera, kommer att hjälpa till att övervinna ett av de största hindren som hindrar solenergi från att bli en dominerande elkälla: det finns inget kostnadseffektivt sätt att lagra energin som samlas in av solpaneler så att den kan användas på natt eller under molniga dagar.

Solenergi har en unik potential att generera stora mängder ren energi som inte bidrar till den globala uppvärmningen. Men utan ett billigt sätt att lagra denna energi kan solenergi inte ersätta fossila bränslen i stor skala. I Noceras scenario skulle solljus dela vatten för att producera mångsidigt vätebränsle som är lätt att lagra som senare kan brännas i en förbränningsgenerator eller kombineras med syre i en bränslecell. Ännu mer ambitiös kan reaktionen användas för att dela havsvatten; i så fall skulle vätgaset genom en bränslecell ge både färskvatten och el.

Att lagra energi från solen genom att efterlikna fotosyntes är något som forskare har försökt göra sedan början av 1970-talet. I synnerhet har de försökt replikera hur gröna växter bryter ner vatten. Kemister kan förstås redan dela vatten. Men processen har krävt höga temperaturer, hårda alkaliska lösningar eller sällsynta och dyra katalysatorer som platina. Vad Nocera har tagit fram är en billig katalysator som producerar syre från vatten vid rumstemperatur och utan frätande kemikalier - samma godartade förhållanden som finns i växter. Flera andra lovande katalysatorer, inklusive en annan som Nocera utvecklade, skulle kunna användas för att slutföra processen och producera vätgas.

Multimedia

• Daniel Nocera beskriver utmaningarna med artificiell fotosyntes i ett föredrag som hölls före hans senaste framfart.

Nocera ser två sätt att dra fördel av sitt genombrott. I den första skulle en konventionell solpanel fånga solljus för att producera elektricitet; i sin tur skulle den elektriciteten driva en enhet som kallas en elektrolysör, som skulle använda hans katalysatorer för att dela vatten. Det andra tillvägagångssättet skulle använda ett system som närmare efterliknar ett blads struktur. Katalysatorerna skulle utplaceras sida vid sida med speciella färgämnesmolekyler utformade för att absorbera solljus; energin som fångas upp av färgämnena skulle driva vattensönderdelningsreaktionen. Oavsett vilket skulle solenergi omvandlas till vätebränsle som enkelt kan lagras och användas på natten - eller när det behövs.

Noceras djärva påståenden om vikten av hans framsteg är den typ som akademiska kemister vanligtvis avskyr att framföra inför sina kamrater. Faktum är att ett antal experter har ifrågasatt hur väl hans system kan skalas upp och hur ekonomiskt det kommer att vara. Men Nocera visar inga tecken på att backa. Med den här upptäckten förändrar jag dialogen totalt, sa han till publiken i maj. Alla gamla argument går ut genom fönstret.

Solens mörka sida
Solljus är världens största potentiella källa till förnybar energi, men den potentialen kan lätt försvinna. Inte nog med att solpaneler inte fungerar på natten, utan produktionen under dagen ökar och avtar när molnen passerar över huvudet. Det är därför som idag de flesta solpaneler – både de i solgårdar byggda av kraftverk och de som är monterade på hustak och företag – är anslutna till elnätet. Under soliga dagar, när solpaneler arbetar med toppkapacitet, kan husägare och företag sälja sin överskottskraft till elbolag. Men de måste i allmänhet lita på nätet på natten, eller när moln skuggar panelerna.

Det här systemet fungerar bara för att solenergi ger ett så litet bidrag till den totala elproduktionen: det möter en liten del av 1 procent av den totala efterfrågan i USA. När bidraget från solenergi växer kommer dess opålitlighet att bli ett allt allvarligare problem.

Om solenergi växer tillräckligt för att tillhandahålla så lite som 10 procent av den totala elektriciteten, kommer kraftbolagen behöva bestämma vad de ska göra när moln flyttar in under tider med hög efterfrågan, säger Ryan Wiser, en forskare som studerar elmarknaderna vid Lawrence Berkeley National Laboratory i Berkeley, CA. Antingen måste bolagen driva extra naturgasanläggningar som snabbt kan öka för att kompensera för den förlorade strömmen, eller så måste de investera i energilagring. Det första alternativet är för närvarande billigare, säger Wiser: Elektrisk lagring är helt enkelt för dyr.

Men om vi räknar med solenergi för mer än cirka 20 procent av den totala elektriciteten, säger han, kommer det att börja bidra till vad som kallas baslastkraft, den mängd kraft som krävs för att möta minimibehovet. Och baslastkraft (som nu till största delen levereras av koleldade anläggningar) måste tillhandahållas med en relativt konstant hastighet. Solenergi kan inte utnyttjas för detta ändamål om den inte kan lagras i stor skala för användning 24 timmar om dygnet, i bra och dåligt väder.

Kort sagt, för att solenergi ska bli en primär elkälla kommer det att behövas stora mängder prisvärd lagring. Och dagens alternativ för att lagra el är helt enkelt inte praktiska i tillräckligt stor skala, säger Nathan Lewis, professor i kemi vid Caltech. Ta en av de billigaste metoderna: att använda el för att pumpa vatten uppför och sedan köra vattnet genom en turbin för att generera elektricitet senare. Ett kilo vatten som pumpas upp 100 meter lagrar ungefär en kilojoule energi. Som jämförelse lagrar ett kilo bensin cirka 45 000 kilojoule. Att lagra tillräckligt med energi på detta sätt skulle kräva massiva dammar och enorma reservoarer som skulle tömmas och fyllas varje dag. Och försök att hitta tillräckligt med vatten för det på platser som Arizona och Nevada, där solljuset är särskilt rikligt.

Batterier är samtidigt dyra: de kan lägga till $10 000 till kostnaden för ett typiskt solsystem i hemmet. Och även om de förbättras, lagrar de fortfarande mycket mindre energi än bränslen som bensin och väte lagrar i form av kemiska bindningar. De bästa batterierna lagrar cirka 300 wattimmar energi per kilogram, säger Lewis, medan bensin lagrar 13 000 wattimmar per kilogram. Siffrorna gör det uppenbart att kemiska bränslen är det enda energitäta sättet att få massiv energilagring, säger Lewis. Av dessa bränslen är väte inte bara potentiellt renare än bensin, utan i vikt lagrar det mycket mer energi - ungefär tre gånger så mycket, även om det tar upp mer plats eftersom det är en gas.

Utmaningen ligger i att använda energi från solen för att göra sådana bränslen billigt och effektivt. Det är här Noceras ansträngningar att efterlikna fotosyntes kommer in.

Fotosyntes i en bägare: I en experimentell uppställning som duplicerar de godartade förhållandena som finns i fotosyntetiska växter, har -Daniel ¬Nocera visat ett enkelt och potentiellt billigt sätt att producera vätgas. När en spänning appliceras, samlas kobolt och fosfat i lösning (vänster) på en elektrod för att bilda en katalysator, som frigör syrgas från vattnet när elektroner strömmar ut genom elektroden. Vätejoner strömmar genom ett membran; å andra sidan produceras vätgas av en nickelmetallkatalysator (Nocera har även använt en platinakatalysator).

Imiterar växter
I verklig fotosyntes använder gröna växter klorofyll för att fånga energi från solljus och använder sedan den energin för att driva en serie komplexa kemiska reaktioner som förvandlar vatten och koldioxid till energirika kolhydrater som stärkelse och socker. Men det som främst intresserar många forskare är ett tidigt steg i processen, där en kombination av proteiner och oorganiska katalysatorer hjälper till att effektivt bryta vatten till syre och vätejoner.

Området artificiell fotosyntes fick en snabb start. I början av 1970-talet visade en doktorand vid University of Tokyo, Akira Fujishima, och hans avhandlingsrådgivare, Kenichi Honda, att elektroder gjorda av titandioxid – en komponent i vit färg – sakta skulle splittra vatten när de exponerades för ljus från en ljus , 500-watts xenonlampa. Fyndet visade att ljus kunde användas för att dela vatten utanför växter. 1974 visade Thomas Meyer, professor i kemi vid University of North Carolina, Chapel Hill, att ett ruteniumbaserat färgämne, när det exponerades för ljus, genomgick kemiska förändringar som gav det potential att oxidera vatten eller dra elektroner från det. –det viktigaste första steget i vattenklyvning.

I slutändan visade sig ingendera tekniken vara praktisk. Titandioxiden kunde inte absorbera tillräckligt med solljus, och det ljusinducerade kemiska tillståndet i Meyers färgämne var för övergående för att vara användbart. Men framstegen stimulerade forskarnas fantasi. Man kunde se framåt och se vart man skulle gå och åtminstone i princip sätta ihop bitarna, säger Meyer.

Under de kommande decennierna studerade forskare strukturerna och materialen i växter som absorberar solljus och lagrar dess energi. De fann att växter noggrant koreograferar rörelsen av vattenmolekyler, elektroner och vätejoner - det vill säga protoner. Men mycket om de exakta inblandade mekanismerna förblev okänt. Sedan, 2004, identifierade forskare vid Imperial College London strukturen hos en grupp av proteiner och metaller som är avgörande för att frigöra syre från vatten i växter. De visade att hjärtat i detta katalytiska komplex var en samling av proteiner, syreatomer och mangan- och kalciumjoner som interagerar på specifika sätt.

Så fort vi såg detta kunde vi börja designa system, säger Nocera, som till fullo hade försökt förstå kemin bakom fotosyntesen sedan 1984. När han läser den här färdplanen, säger han, satte han sig för att hantera protoner och elektroner på något sätt växter gör det – men använder bara oorganiska material, som är mer robusta och stabila än proteiner.

Till en början tacklade Nocera inte den största utmaningen, att dra ut syre från vattnet. Snarare, för att få våra träningshjul började han med den omvända reaktionen: att kombinera syre med protoner och elektroner för att bilda vatten. Han fann att vissa komplexa föreningar baserade på kobolt var bra katalysatorer för denna reaktion. Så när det var dags att prova att klyva vatten bestämde han sig för att använda liknande koboltföreningar.

Nocera visste att arbetet med dessa föreningar i vatten kunde vara ett problem, eftersom kobolt kan lösas upp. Inte överraskande, säger han, inom några dagar insåg vi att kobolt höll på att falla ur denna utarbetade blandning som vi gjorde. Med sina första försök omintetgjorde han, beslutade han att ta ett annat tillvägagångssätt. Istället för att använda en komplex förening testade han den katalytiska aktiviteten hos löst kobolt, med lite fosfat tillsatt till vattnet för att hjälpa reaktionen. Vi sa, låt oss glömma allt det komplicerade och bara använda kobolt direkt, säger han.

Solar goes solo: Konstgjord fotosyntes kan ge ett praktiskt sätt att lagra energi som produceras av solenergi, och befria människors hem från elnätet. I detta schema driver el från solpaneler en elektrolysator, som bryter vatten till väte och syre. Vätet lagras; på natten eller på molniga dagar matas den in i en bränslecell för att producera el till lampor, apparater och till och med elbilar. På soliga dagar används en del av solenergin direkt, vilket går förbi steget för produktion av väte.

Experimentet fungerade bättre än Nocera och hans kollegor hade förväntat sig. När en ström applicerades på en elektrod nedsänkt i lösningen ackumulerades kobolt och fosfat på den i en tunn film, och ett tätt skikt av bubblor började bildas på bara några minuter. Ytterligare tester bekräftade att bubblorna var syre som frigjordes genom att vattnet splittrades. Här är turen, säger Nocera. Det fanns ingen anledning för oss att förvänta oss att bara vanlig kobolt med fosfat, kontra kobolt som binds upp i ett av våra komplex, skulle fungera så här bra. Jag kunde inte ha förutspått det. Det som föll ut ur föreningarna visade sig vara vad vi behövde.

Nu vill vi förstå det, fortsätter han. Jag vill veta varför kobolten i den här tunna filmen är så aktiv. Jag kanske kan förbättra det eller använda en annan metall som är bättre. Samtidigt vill han börja arbeta med ingenjörer för att optimera processen och göra en effektiv vattenuppdelningscell, en som innehåller katalysatorer för att generera både syre och väte. Vi var verkligen intresserade av den grundläggande vetenskapen. Kan vi göra en katalysator som fungerar effektivt under fotosyntesförhållandena? han säger. Svaret nu är ja, det kan vi göra. Nu måste vi verkligen komma till tekniken för att designa en cell.

Katalyserar en debatt
Noceras upptäckt har fått mycket uppmärksamhet, och allt har inte varit smickrande. Många kemister finner hans påståenden överdrivna; de ifrågasätter inte hans upptäckter, men de tvivlar på att de kommer att få de konsekvenser han föreställer sig. Påståendet att detta är svaret för artificiell fotosyntes är galet, säger Thomas Meyer, som varit mentor till Nocera. Han säger att även om Noceras katalysatorer kan visa sig vara tekniskt viktiga, är framsteg ett forskningsresultat, och det finns ingen garanti för att det kan skalas upp eller ens göras praktiskt.

Många kritikers invändningar kretsar kring oförmågan hos Noceras labbinstallation att dela vatten nästan lika snabbt som kommersiella elektrolysörer gör. Ju snabbare systemet är, desto mindre skulle en kommersiell enhet som producerade en given mängd väte och syre vara. Och mindre system är generellt sett billigare.

Sättet att jämföra olika katalysatorer är att titta på deras strömtäthet – det vill säga elektrisk ström per kvadratcentimeter – när de är som mest effektiva. Ju högre ström, desto snabbare kan katalysatorn producera syre. Nocera rapporterade resultat på 1 milliampere per kvadratcentimeter, även om han säger att han har uppnått 10 milliampere sedan dess. Kommersiella elektrolysatorer körs vanligtvis med cirka 1 000 milliampere per kvadratcentimeter. Åtminstone det han har publicerat hittills skulle aldrig fungera för en kommersiell elektrolysör, där strömtätheten är 800 gånger till 2 000 gånger större, säger John Turner, en forskare vid National Renewable Energy Laboratory i Golden, CO.

Andra experter ifrågasätter hela principen att omvandla solljus till elektricitet, sedan till ett kemiskt bränsle och sedan tillbaka till elektricitet igen. De menar att även om batterier lagrar mycket mindre energi än kemiska bränslen, är de ändå mycket effektivare, eftersom att använda el för att tillverka bränsle och sedan använda bränslena för att generera el slösar energi i varje steg. Det skulle vara bättre, menar de, att fokusera på att förbättra batteritekniken eller andra liknande former av elektrisk lagring, snarare än på att utveckla vattendelare och bränsleceller. Som Ryan Wiser uttrycker det, är elektrolys [för närvarande] ineffektivt, så varför skulle du göra det?

Det konstgjorda bladet
Michael Grätzel kan dock ha ett smart sätt att vända Noceras upptäckt till praktisk användning. Professor i kemi och kemiteknik vid École Polytechnique Fédérale i Lausanne, Schweiz, han var en av de första personerna som Nocera berättade om sin nya katalysator. Han var så exalterad, säger Grätzel. Han tog mig till en restaurang och köpte en oerhört dyr flaska vin.

1991 uppfann Grätzel en lovande ny typ av solcell. Den använder ett färgämne som innehåller rutenium, som fungerar ungefär som klorofyllet i en växt, absorberar ljus och släpper ut elektroner. I Grätzels solcell sätter elektronerna dock inte igång en vattenklyvningsreaktion. Istället samlas de upp av en film av titandioxid och leds genom en extern krets som genererar elektricitet. Grätzel tror nu att han kan integrera sin solcell och Noceras katalysator i en enda enhet som fångar energin från solljus och använder den för att dela vatten.

Om han har rätt skulle det vara ett viktigt steg mot att göra en enhet som på många sätt verkligen liknar ett löv. Tanken är att Grätzels färgämne skulle ersätta elektroden på vilken katalysatorn bildas i Noceras system. Själva färgämnet, när det utsätts för ljus, kan generera den spänning som behövs för att montera katalysatorn. Färgämnet fungerar som en molekylär tråd som leder bort laddningar, säger Grätzel. Katalysatorn monteras sedan där den behövs, direkt på färgämnet. När katalysatorn väl har bildats driver solljuset som absorberas av färgämnet reaktionerna som delar vatten. Grätzel säger att enheten kan vara effektivare och billigare än att använda en separat solpanel och elektrolysör.

En annan möjlighet som Nocera undersöker är om hans katalysator kan användas för att klyva havsvatten. I de första testerna fungerar den bra i närvaro av salt, och han testar den nu för att se hur den hanterar andra föreningar som finns i havet. Om det fungerar kan Noceras system hantera mer än bara energikrisen; det kan också hjälpa till att lösa världens växande brist på färskvatten.

Konstgjorda löv och bränsleproducerande avsaltningssystem kan låta som storslagna löften. Men för många forskare verkar sådana möjligheter förbluffande nära; kemister som letar efter ny energiteknik har hånats i årtionden av det faktum att växter lätt använder solljus för att förvandla rikliga material till energirika molekyler. Vi ser det pågå runt omkring oss, men det är något vi inte riktigt kan göra, säger Paul Alivisatos, professor i kemi och materialvetenskap vid University of California, Berkeley, som leder ett försök vid Lawrence Berkeley National Laboratory för att imitera fotosyntes på kemisk väg.

Men snart, med hjälp av naturens egen ritning, kan människor använda solen för att göra bränsle från ett glas vatten, som Nocera uttrycker det. Den idén har en elegans som alla kemister kan uppskatta – och möjligheter som alla borde finna hoppfulla.

Kevin Bullis är Teknikgranskning energiredaktör.

Dölj