Sustainable Fuel Could Be Made by "Artificial Leaf" / Il combustibile sostenibile potrebbe essere prodotto da "Foglia artificiale"
Sustainable Fuel Could Be Made by "Artificial Leaf" / Il combustibile sostenibile potrebbe essere prodotto da "Foglia artificiale"
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Artificial leaf. / Foglia artificiale Credit: Virgil Andrei.
A widely-used gas that is currently produced from fossil fuels can instead be made by an ‘artificial leaf’ that uses only sunlight, carbon dioxide and water, and which could eventually be used to develop a sustainable liquid fuel alternative to petrol.
The carbon-neutral device sets a new benchmark in the field of solar fuels, after researchers at the University of Cambridge demonstrated that it can directly produce the gas – called syngas – in a sustainable and simple way.
Rather than running on fossil fuels, the artificial leaf is powered by sunlight, although it still works efficiently on cloudy and overcast days. And unlike the current industrial processes for producing syngas, the leaf does not release any additional carbon dioxide into the atmosphere. The results are reported in the journal Nature Materials.
Syngas is currently made from a mixture of hydrogen and carbon monoxide, and is used to produce a range of commodities, such as fuels, pharmaceuticals, plastics and fertilisers.
“You may not have heard of syngas itself but every day, you consume products that were created using it. Being able to produce it sustainably would be a critical step in closing the global carbon cycle and establishing a sustainable chemical and fuel industry,” said senior author Professor Erwin Reisner from Cambridge’s Department of Chemistry, who has spent seven years working towards this goal.
The device Reisner and his colleagues produced is inspired by photosynthesis – the natural process by which plants use the energy from sunlight to turn carbon dioxide into food.
On the artificial leaf, two light absorbers, similar to the molecules in plants that harvest sunlight, are combined with a catalyst made from the naturally abundant element cobalt.
When the device is immersed in water, one light absorber uses the catalyst to produce oxygen. The other carries out the chemical reaction that reduces carbon dioxide and water into carbon monoxide and hydrogen, forming the syngas mixture.
As an added bonus, the researchers discovered that their light absorbers work even under the low levels of sunlight on a rainy or overcast day.
“This means you are not limited to using this technology just in warm countries, or only operating the process during the summer months,” said PhD student Virgil Andrei, first author of the paper. “You could use it from dawn until dusk, anywhere in the world.”
The research was carried out in the Christian Doppler Laboratory for Sustainable SynGas Chemistry in the University’s Department of Chemistry. It was co-funded by the Austrian government and the Austrian petrochemical company OMV, which is looking for ways to make its business more sustainable.
“OMV has been an avid supporter of the Christian Doppler Laboratory for the past seven years. The team’s fundamental research to produce syngas as the basis for liquid fuel in a carbon neutral way is ground-breaking,” said Michael-Dieter Ulbrich, Senior Advisor at OMV.
Other ‘artificial leaf’ devices have also been developed, but these usually only produce hydrogen. The Cambridge researchers say the reason they have been able to make theirs produce syngas sustainably is thanks the combination of materials and catalysts they used.
These include state-of-the-art perovskite light absorbers, which provide a high photovoltage and electrical current to power the chemical reaction by which carbon dioxide is reduced to carbon monoxide, in comparison to light absorbers made from silicon or dye-sensitised materials. The researchers also used cobalt as their molecular catalyst, instead of platinum or silver. Cobalt is not only lower-cost, but it is better at producing carbon monoxide than other catalysts.
The team is now looking at ways to use their technology to produce a sustainable liquid fuel alternative to petrol.
Syngas is already used as a building block in the production of liquid fuels. “What we’d like to do next, instead of first making syngas and then converting it into liquid fuel, is to make the liquid fuel in one step from carbon dioxide and water,” said Reisner, who is also a Fellow of St John’s College.
Although great advances are being made in generating electricity from renewable energy sources such as wind power and photovoltaics, Reisner says the development of synthetic petrol is vital, as electricity can currently only satisfy about 25% of our total global energy demand. “There is a major demand for liquid fuels to power heavy transport, shipping and aviation sustainably,” he said.
“We are aiming at sustainably creating products such as ethanol, which can readily be used as a fuel,” said Andrei. “It’s challenging to produce it in one step from sunlight using the carbon dioxide reduction reaction. But we are confident that we are going in the right direction, and that we have the right catalysts, so we believe we will be able to produce a device that can demonstrate this process in the near future.”
ITALIANO
Un gas ampiamente utilizzato che è attualmente prodotto da combustibili fossili può invece essere prodotto da una "foglia artificiale" che utilizza solo luce solare, anidride carbonica e acqua e che potrebbe eventualmente essere utilizzata per sviluppare un'alternativa di combustibile liquido sostenibile alla benzina.
Il dispositivo carbon-neutral stabilisce un nuovo punto di riferimento nel campo dei combustibili solari, dopo che i ricercatori dell'Università di Cambridge hanno dimostrato che può produrre direttamente il gas - chiamato syngas - in modo sostenibile e semplice.
Invece di funzionare con combustibili fossili, la foglia artificiale è alimentata dalla luce solare, sebbene funzioni ancora in modo efficiente nei giorni nuvolosi e nuvolosi. E a differenza degli attuali processi industriali per la produzione di syngas, la foglia non rilascia ulteriore anidride carbonica nell'atmosfera. I risultati sono riportati sulla rivista Nature Materials.
Il syngas è attualmente composto da una miscela di idrogeno e monossido di carbonio e viene utilizzato per produrre una vasta gamma di prodotti, quali carburanti, prodotti farmaceutici, materie plastiche e fertilizzanti.
“Potresti non aver sentito parlare del syngas stesso, ma ogni giorno consumi prodotti creati utilizzando questo prodotto. Essere in grado di produrlo in modo sostenibile sarebbe un passo fondamentale nella chiusura del ciclo globale del carbonio e nella creazione di un'industria chimica e del combustibile sostenibile ", ha affermato il professor Erwin Reisner del Dipartimento di Chimica di Cambridge, che ha trascorso sette anni lavorando per raggiungere questo obiettivo.
Il dispositivo prodotto da Reisner e dai suoi colleghi è ispirato alla fotosintesi, il processo naturale con cui le piante usano l'energia della luce solare per trasformare l'anidride carbonica in cibo.
Sulla foglia artificiale, due assorbitori di luce, simili alle molecole delle piante che raccolgono la luce solare, sono combinati con un catalizzatore costituito dall'elemento naturalmente abbondante di cobalto.
Quando il dispositivo viene immerso in acqua, un assorbitore di luce utilizza il catalizzatore per produrre ossigeno. L'altro esegue la reazione chimica che riduce l'anidride carbonica e l'acqua in monossido di carbonio e idrogeno, formando la miscela di syngas.
Come ulteriore vantaggio, i ricercatori hanno scoperto che i loro assorbitori di luce funzionano anche sotto i bassi livelli di luce solare in una giornata piovosa o nuvolosa.
"Ciò significa che non sei limitato all'utilizzo di questa tecnologia solo nei paesi caldi, o alla gestione del processo solo durante i mesi estivi", ha dichiarato lo studente di dottorato Virgil Andrei, primo autore dell'articolo. "Potresti usarlo dall'alba al tramonto, in qualsiasi parte del mondo."
La ricerca è stata condotta nel Christian Doppler Laboratory for Sustainable SynGas Chemistry presso il Dipartimento di Chimica dell'Università. È stato cofinanziato dal governo austriaco e dalla società petrolchimica austriaca OMV, che è alla ricerca di modi per rendere le proprie attività più sostenibili.
“OMV è stato un appassionato sostenitore del Christian Doppler Laboratory negli ultimi sette anni. La ricerca fondamentale del team per produrre syngas come base per il combustibile liquido in modo carbon neutral è rivoluzionaria ", ha affermato Michael-Dieter Ulbrich, Senior Advisor presso OMV.
Sono stati sviluppati anche altri dispositivi a "foglia artificiale", ma di solito producono solo idrogeno. I ricercatori di Cambridge affermano che il motivo per cui sono stati in grado di produrre in modo sostenibile syngas è grazie alla combinazione di materiali e catalizzatori che hanno usato.
Questi includono assorbitori di luce perovskite all'avanguardia, che forniscono un'elevata fotovoltaggio e corrente elettrica per alimentare la reazione chimica con la quale l'anidride carbonica viene ridotta a monossido di carbonio, rispetto agli assorbitori di luce realizzati con silicio o materiali sensibili alla tintura. I ricercatori hanno anche usato il cobalto come catalizzatore molecolare, anziché platino o argento. Il cobalto non è solo a basso costo, ma è migliore nella produzione di monossido di carbonio rispetto ad altri catalizzatori.
Il gruppo sta ora cercando dei modi per utilizzare la propria tecnologia per produrre un'alternativa di carburante liquido sostenibile alla benzina.
Syngas è già utilizzato come componente nella produzione di combustibili liquidi. "Quello che vorremmo fare dopo, invece di fare prima il syngas e poi convertirlo in combustibile liquido, è quello di fare il combustibile liquido a un passo dall'anidride carbonica e dall'acqua", ha detto Reisner, che è anche un collega di San Giovanni Università.
Sebbene siano stati fatti grandi progressi nella generazione di elettricità da fonti energetiche rinnovabili come l'energia eolica e il fotovoltaico, Reisner afferma che lo sviluppo della benzina sintetica è vitale, poiché l'elettricità può attualmente soddisfare solo circa il 25% della nostra domanda totale di energia globale. "Vi è una forte domanda di combustibili liquidi per alimentare in modo sostenibile trasporti pesanti, spedizioni e aviazione", ha detto.
"Puntiamo a creare prodotti sostenibili come l'etanolo, che può essere facilmente utilizzato come combustibile", ha affermato Andrei. "È difficile produrlo a un passo dalla luce solare utilizzando la reazione di riduzione dell'anidride carbonica. Ma siamo fiduciosi che stiamo andando nella giusta direzione e che abbiamo i catalizzatori giusti, quindi crediamo che saremo in grado di produrre un dispositivo in grado di dimostrare questo processo nel prossimo futuro. "
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