Polttoaineiden valmistus auringonvalosta

Meri toimii maapallon suurimpana dynaamisena hiilinieluna, joka imee vuosittain 400 miljoonaa tonnia hiilidioksidia (CO₂) jatkuvasti ilmakehän kanssa tapahtuvan vaihdon kautta.

Yalen tutkijat ovat nyt kehittäneet tehokkaan järjestelmän liuenneen CO₂:n erottamiseksi ja muuntamiseksi puhtaiksi polttoaineiksi ja hyödyllisiksi teollisuuden raaka-aineiksi.

Julkaistu läpimurtotutkimus voisi muuttaa meriveden kestäväksi hiilipohjaisten tuotteiden lähteeksi ja samalla auttaa tasapainottamaan valtamerten CO₂-tasoja.

Esimerkiksi hiilen suora talteenotto ilmasta on energiaintensiivistä ja kallista mutta merivesi on luonnollinen hiilinielu sillä sen liuenneen epäorgaanisen hiilen bikarbonaattimolaarisuus on noin 140 kertaa suurempi kuin ilmakehän.

Projektia johtanut professori Shu Hu kuvailee järjestelmää "aurinkoenergialla toimivaksi, valtameriin perustuvaksi hiilen talteenotto- ja muuntamisjärjestelmäksi". Tai yksinkertaisemmin sanottuna se valmistaa "polttoaineita auringonvalosta".

Tiimi käyttää auringonvaloa muuntaakseen merivedessä liuenneen hiilen synteesikaasuksi, joka sisältää hiilimonoksidia (CO) ja vetyä. Tämä monipuolinen yhdiste toimii keskeisenä rakenneosana arvokkaiden teollisuuskemikaalien ja polttoaineiden tuotannossa.

Aiemmat yritykset hyödyntää aurinkoenergiaa meriveden liuenneen hiilen muuntamiseksi hyödyllisiksi tuotteiksi ovat kohdanneet merkittäviä haasteita. Meriveden erittäin alhainen karbonaatti-ionipitoisuus vaikeuttaa sekä korkean energiatehokkuuden että selektiivisen tuotemuodostuksen saavuttamista.

Hu-ryhmän asiantuntemuksen pohjalta he kehittivät uuden fotoelektrokemiallisen laitteen. Prosessi jäljittelee fotosynteesin toimintaa valtamerien ekosysteemeissä ja saavuttaa 0,71 %:n aurinkoenergian hyötysuhteen polttoaineeksi, mikä on samaa luokkaa kuin merilevän hiilidioksidin muuntaminen.

Vieläkin silmiinpistävämpää on tiimin havainto, että vaikka meriveden karbonaattipitoisuus on lähes nolla, reaktorin sisäinen virtauskenttä voi vaikuttaa dramaattisesti reaktion selektiivisyyteen. Staattisessa merivedessä tuotteen CO2-pitoisuus oli vain 3 %. Reaktorin sisällä vallinneissa kontrolloiduissa virtausolosuhteissa CO2-osuus kuitenkin nousi 21 prosenttiin.

”Se toimii kuin täydellisesti synkronoitu viestijuoksu”, selitti tutkimuksen toinen kirjoittaja jatko-opiskelija Xiang Shi.

”Anodi kuljettaa protoneja ja hiilidioksidia katodille, joka sitten kiihtyy kohti maaliviivaa – konversiota. Tämä tiimityö vie koko reaktion tehokkaasti loppuun.

Seuraavaksi tutkijat aikovat hioa järjestelmän teknologiaa ja lopulta skaalata sen laajamittaiseksi teollisuustason reaktoriksi.

Aiheesta aiemmin:

Vetyä vaikka merivedestä

Synteesikaasua ja akkuvarausta auringonvalosta