Nate Lewis om kunstig fotosyntese

Nate Lewis, George L. Argyros, professor i kemi ved California Institute of Technology, arbejder på at udvikle nye teknologier, der imødekommer fremtidens enorme energibehov på en bæredygtig måde. Lewis har specialiseret sig i, hvad der kaldes kunstig fotosyntese. I naturen er fotosyntesen de processer, planterne bruger til at fremstille mad fra solens energi. Dr. Lewis arbejder for at efterligne den proces. Ved hjælp af specielle materialer bygger han små celler, der - når de bliver ramt af lys og omgivet af vand - skaber brintbrændstof. Brint brænder "rent." Det vil sige, at det ikke producerer kuldioxid (CO2), når det forbrændes. Denne podcast er en del af serien Thanks To Chemistry, der er produceret i samarbejde med Chemical Heritage Foundation. Generel sponsorering blev ydet af BASF Corporation. Yderligere produktionsstøtte blev leveret af Camille og Henry Dreyfus Foundation, DuPont og ExxonMobil. Nate Lewis talte med EarthSky's Beth Lebwohl.

Planter bruger sollys til at fremstille mad. Det er fotosyntesen. Men dit laboratorium arbejder på en kunstig fotosyntese. Hvad er målet?

Plante celler. Billedkredit: Kristian Peters

Planter regnede ud af, at den bedste måde at fremstille og udnytte ren energi ville være at tage den største ressource, vi har - solen - og konvertere den til det, der driver næsten al energi og forbrug på vores planet i dag, som er kemisk brændstof. Men planter gør det ikke meget effektivt, og de fremstiller et brændstof, som vi ikke kan bruge, i det mindste ikke direkte, medmindre du vil spise de lækre grøntsager, der kommer ud af det. Men det meste af det, planterne fremstiller, kan ikke direkte bruges som brændstof af mennesker.

På samme måde som fugle har fjer, og vi ved, at det derfor er muligt at flyve, men vi bygger ikke fly ud af fjer, vi ved, at det er muligt at tage sollys og fremstille kemisk brændstof. Vi skal bygge vores maskiner, der tager sollys og direkte fremstiller brændstof, som enhver kunne bruge hvor som helst og når som helst for deres energi.

Lad os tale om et specifikt produkt fra dit laboratorium en fotoelektrokemisk celle, der bruges i kunstig fotosyntese med det mål at fremstille brintbrændstof - på enklest mulig måde. Hvordan fungerer det?

Vi ved, at det er muligt med halvledende materialer som dem, der bruges i solcellepaneler, men et andet sæt materialer som platin og silicium, faktisk at tage disse materialer, og i stedet for at dække dem med elektriske ledninger, fordyber vi materialet i vand. Og der tilføjes sollys, kan man opdele dette vand og producere brintgas og iltgas direkte. Du vil opsamle brintet og derefter kunne bruge det senere i en brændselscelle. Eller du kan konvertere det til et flydende brændstof, eller bruge det til andre ting. Derefter får du ilt tilbage fra luften ved forbrændingspunktet for brint eller det andet brændstof, du lavede. Vi ved, at dette allerede fungerer.

Billedkredit: spcbrass

Du talte om at splitte vand. Hvad mener du nøjagtigt med det?

Vand har den kemiske formel af H2O. For at opdele det, jonglerer du igen bindingerne i vandet, for at fremstille et molekyle af H2 og den ene halvdel af O2, der gør molekylerne med ilt, der er i vores luft.

Det brændstof, der følger heraf, er brintet - H2 - fordi det kan opbevares og derefter forbrændes. Ligesom benzin forbrændes med ilt fra luften, brændes brændstoffet med ilt fra luften. I dette tilfælde ville det fremstille vand i stedet for at fremstille kuldioxid. Så det er rentbrændende, fordi det eneste biprodukt faktisk er drikkevand fra forbrændingsprocessen.

Hvordan ser denne fotoelektrokemiske celle ud? Hvad er der inde i det, der får det til at gøre dette arbejde?

Det bliver bare et fleksibelt materiale, ligesom Slip 'n Slide eller bobleindpakning, et multifunktionelt stof, som du vil rulle ud, og der vil være et top klart lag, der suger vand op som en svamp fra luft. Derefter vil det mellemliggende lag absorbere sollys og nedbryde vandmolekylerne i brint og ilt. Vi vil lade iltet blive udluftet, ligesom gennem en regnjakke, når du lader det trække vejret. I bunden ville vi enten fjerne det gasformige eller flydende brændstof, opsamle det i en tank, og så kunne vi bruge det til at køre vores biler, til at køre brændselsceller, til at fremstille flydende brændstof ud for at give den energi, som vi har brug for, selv når han ikke skinner.

Hvad er tidslinjen på dette? Hvornår kan vi forvente at se dette på markedet, i almindelig brug eller i brug i industrien?

Vores mål er at opbygge prototyper, der faktisk fungerer i de første to år af dette projekt, kaldet Joint Center for Artificial Photosynthesis, som er et energiinnovationsnav sponsoreret af Department of Energy.

Og så lancerer vi et meget aggressivt projekt, fordi ingen faktisk har bygget en solbrændstofgenerator, som du kan holde i din hånd, der virkelig er et kunstigt fotosyntetisk system. Vi ved, at de første prototyper, vi bygger, ikke fungerer meget godt, eller måske ikke holder meget længe, ​​eller måske bruger for dyre stykker. Og så skal vi bygge et andet, og det fungerer lidt bedre. Og så bygger vi den tredje, og den fungerer stadig bedre. Vi lærer af vores fejl, indtil vi bygger en femte, der virkelig er den, vi prøver at tænke på at flytte ind i den kommercielle virksomhed.

Vi mener, at dette er en udviklende generation af teknologiudvikling. Men du kan ikke flyve, før du kommer væk fra jorden, og vores mål er at komme af jorden, at opbygge det, der viser, at vi kan skabe en teknologi, der virkelig kan gøre, hvad planter gør, men bedre, skabe brændstof direkte fra solen.

Hvad er nogle af de store forhindringer, du står over for nu, eller har været konfronteret med i forbindelse med kunstig fotosyntese?

Det er kemisk vanskeligt at tage lysets fotoner og de elektroner, der produceres viljestille overalt i et materiale, og derefter sammenkoble dem for at skabe og bryde de kemiske bindinger, der er nødvendige for at udføre reel fotosyntesen. Vi er nødt til at udvikle de katalysatorer, der kan gøre det, såvel som materialerne til at absorbere lyset til at levere disse elektroner til disse katalysatorer, så alle dele af systemet fungerer sammen i harmoni på samme tid.

Hvad er et eksempel på en sådan katalysator?

En katalysator lige nu, som splitter vand i brint og ilt, ville være et dyrt metal som platin kombineret med et andet dyrt metal som ruthenium i ruthenoxidform. Vi ved, at de fungerer ekstremt godt. De er bare alt for dyre til at tænke på at bruge til at dække meget store områder, der er nødvendige for at udnytte sollys. Vi ved, at naturen ved, hvordan man gør dette. Det bruger ikke metal. I enzymer, der bugs bruger til at fremstille brint, bruger de jern, et billigt metal, der kommer ud af rust. De bruger nikkel, de samme ting, som vi plejede at bruge til at fremstille vores møntnikkel. Så de bruger virkelig billige ting, og vi er nødt til at finde ud af, som kemikere, hvordan man får de billige metaller til at fungere lige så godt som de dyre for virkelig at have en overkommelig teknologi.

Hvad er det vigtigste, du ønsker, at folk skal vide i dag?

Den vigtigste ting er at vide, at hvis vi ønsker at komme til et rent energisystem, kan vi få en del af vejen dertil med eksisterende teknologi, med vind, med sol, med atom. Men du kan ikke komme helt dertil ved blot at gøre billigere, hvad vi ved. De to største udfordringer er, hvordan opbevarer du enorme mængder elektricitet, og hvordan fremstiller du rent brændstof til de 40 procent af transporten, der ikke kan elektrificeres - vores skibe, vores fly, vores tunge lastbiler? Og bortset fra en begrænset mængde biobrændstoffer, er det eneste tekniske spil i byen, der kunne løse begge disse problemer, som vi er nødt til at løse som en planet for at skabe en bæredygtig, miljøansvarlig sikker fremtid, at fremstille brændstof fra solen. Og det er derfor, vi arbejder så hårdt på det projekt.

Lyt til de 8 minutters og 90 sekunders EarthSky-interviews med Nate Lewis om kunstig fotosyntese, øverst på siden.