Các nhà nghiên cứu KIT tối ưu hóa quá trình quang hợp nhân tạo cho ứng dụng hàng loạt
Sản xuất hydro, nhiên liệu và thậm chí cả nước uống một cách hiệu quả trên bề mặt mái nhà hoặc trong các công viên năng lượng mặt trời – các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT) và các đối tác Canada của họ muốn biến điều này thành hiện thực với các mô-đun lò phản ứng quang rẻ tiền.Bây giờ họ đã đạt được tiến bộ quan trọng. Họ báo cáo kết quả của họ trên tạp chí Joule .
Trong quang hợp nhân tạo, phản ứng hóa học được thực hiện bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời. Cũng giống như mô hình tự nhiên, các photon được hấp thụ bởi vật liệu có hoạt tính quang xúc tác theo cách mà năng lượng của chúng trực tiếp tạo ra phản ứng hóa học. “Nhiều chất xúc tác quang hiện đã được biết đến. Ví dụ, chúng có thể được sử dụng để tách nước thành hydro và oxy, nhưng chúng cũng có thể được sử dụng để sản xuất nhiên liệu trung hòa khí hậu từ nước và carbon dioxide,” Paul Kant từ Viện Kỹ thuật Quy trình Vi mô (IMVT) tại KIT cho biết. Tuy nhiên, cho đến nay, công nghệ này chủ yếu được tìm thấy trong phòng thí nghiệm vì chi phí sản xuất hydro năng lượng mặt trời đơn giản là quá cao. Với ý tưởng về các tấm quang phản ứng hiệu quả cao có thể được lắp đặt trong các mô-đun tiết kiệm chi phí, tuy nhiên, nhóm nghiên cứu hiện đã thực hiện một bước quyết định đối với thực tiễn. Kant coi việc sử dụng quy mô lớn các mô-đun lò phản ứng quang sáng tạo như vậy trên mái nhà hoặc trong các trang trại năng lượng mặt trời để sản xuất hydro hoặc nhiên liệu là một trong những cơ hội công nghệ tuyệt vời cho nhân loại trong cuộc chiến chống khủng hoảng khí hậu: “Điều này đơn giản có thể khiến việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch trở nên thừa thãi.” Kant phụ trách công việc nghiên cứu trong thời gian làm Tiến sĩ với Giáo sư Roland Dittmeyer tại IMVT. Chúng là một phần của chương trình Helmholtz Vật liệu và Công nghệ cho Chuyển đổi Năng lượng. Kant coi việc sử dụng quy mô lớn các mô-đun lò phản ứng quang sáng tạo như vậy trên mái nhà hoặc trong các trang trại năng lượng mặt trời để sản xuất hydro hoặc nhiên liệu là một trong những cơ hội công nghệ tuyệt vời cho nhân loại trong cuộc chiến chống khủng hoảng khí hậu: “Điều này đơn giản có thể khiến việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch trở nên thừa thãi.” Kant phụ trách công việc nghiên cứu trong thời gian làm tiến sĩ vớiGiáo sư Roland Dittmeyer tại IMVT. Chúng là một phần của chương trình Helmholtz Vật liệu và Công nghệ cho Chuyển đổi Năng lượng. Kant coi việc sử dụng quy mô lớn các mô-đun lò phản ứng quang sáng tạo như vậy trên mái nhà hoặc trong các trang trại năng lượng mặt trời để sản xuất hydro hoặc nhiên liệu là một trong những cơ hội công nghệ tuyệt vời cho nhân loại trong cuộc chiến chống khủng hoảng khí hậu: “Điều này đơn giản có thể khiến việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch trở nên thừa thãi.” Kant phụ trách công việc nghiên cứu trong thời gian làm Tiến sĩ với Giáo sư Roland Dittmeyer tại IMVT. Chúng là một phần của chương trình Helmholtz Vật liệu và Công nghệ cho Chuyển đổi Năng lượng.
Khái niệm lò phản ứng được tối ưu hóa cho thị trường đại chúng
Một mô-đun phản ứng quang hiệu quả để sử dụng thực tế về cơ bản phải có hai thành phần: Một mặt, phải có sẵn chất xúc tác quang phù hợp để thúc đẩy phản ứng hóa học thực tế. Mặt khác, phải có sẵn một thiết bị quang phản ứng, tức là một “thùng chứa” chất xúc tác quang và nguyên liệu ban đầu cho phản ứng hóa học. Kant giải thích: “Lý tưởng nhất là lò phản ứng quang dẫn ánh sáng mặt trời tới tới chất xúc tác quang mà ít bị thất thoát, bất kể nó đến từ hướng nào hoặc mặt trời ở đâu trên bầu trời,” Kant giải thích để đảm bảo chất xúc tác quang, chẳng hạn như nhiệt độ phù hợp hoặc cường độ phù hợp khi hấp thụ ánh sáng tại chất xúc tác quang. được phủ một lớp nhôm để có độ phản xạ cao và cho phép điều kiện hoạt động tối ưu cũng như vận chuyển ánh sáng hiệu quả đến chất xúc tác quang suốt cả ngày. Các nhà nghiên cứu đã phát triển hệ thống bằng cách sử dụng tối ưu hóa hình học có sự hỗ trợ của máy tính và hệ thống mô hình xúc tác quang và đã có thể chứng minh nó ở quy mô phòng thí nghiệm. được phủ một lớp nhôm để có độ phản xạ cao và cho phép điều kiện hoạt động tối ưu cũng như vận chuyển ánh sáng hiệu quả đến chất xúc tác quang suốt cả ngày. Các nhà nghiên cứu đã phát triển hệ thống bằng cách sử dụng tối ưu hóa hình học có sự hỗ trợ của máy tính và hệ thống mô hình xúc tác quang và đã có thể chứng minh nó ở quy mô phòng thí nghiệm.
Chuyển đổi năng lượng bằng hydro từ mái nhà Các nhà nghiên cứu KIT tối ưu hóa quá trình quang hợp nhân tạo cho ứng dụng đại trà Hydro, nhiên liệu và thậm chí cả nước uống có thể được sản xuất hiệu quả trên bề mặt mái nhà hoặc trong các công viên năng lượng mặt trời - các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT) và các đối tác Canada của họ muốn biến điều này thành khả thi với các mô-đun lò phản ứng quang điện rẻ tiền. Bây giờ họ đã đạt được tiến bộ quan trọng. © bản quyền thuộc về Karlsruhe Institute of Technology General Services – Cross-media In lại miễn phí trong khu vực biên tập.
Giảm chi phí thông qua các mô-đun rẻ tiền
Trên cơ sở hướng dẫn áp dụng chung, mà các nhà nghiên cứu đã phát triển trên cơ sở phân tích chi tiết về khái niệm lò phản ứng của họ, các mô-đun lò phản ứng quang trong tương lai hiện có thể được thiết kế tương đối dễ dàng để đạt hiệu quả tối đa cho các mục đích khác nhau. Tuy nhiên, hiệu quả cao trong phản ứng hóa học chỉ là một phần của thách thức để thiết lập quang hợp nhân tạo như một công nghệ kinh tế. Đối với số lượng sản phẩm có liên quan, các khu vực cực lớn phải được bao phủ bằng các tấm phản ứng quang. Kant cho biết: “Để giảm chi phí, chúng tôi sử dụng các vật liệu và dạng hình học rẻ tiền có thể được sản xuất bằng các quy trình sản xuất hàng loạt đã được thiết lập sẵn. Theo tính toán ban đầu, các nhà nghiên cứu ước tính giá khoảng 22 đô la Mỹ cho mỗi mét vuông của mô-đun lò phản ứng quang.
Trong công việc tiếp theo dưới sự lãnh đạo của Anselm Dreher, một chất xúc tác quang phù hợp giúp phân tách hiệu quả nước thành hydro và oxy hiện đang được phát triển tại IMVT ở Karlsruhe và trong nhóm làm việc do Giáo sư Geoffrey Ozin ở Toronto đứng đầu. Chất xúc tác quang sau đó được tích hợp vào các lò phản ứng quang được trình bày. Hơn nữa, công việc hiện tại bao gồm các cuộc điều tra về việc sản xuất hàng loạt các tấm được trình bày.
Ấn bản gốc
Paul Kant, Shengzhi Liang, Michael Rubin, Geoffrey Alan Ozin, Roland Dittmeyer: Lò phản ứng quang chi phí thấp để tổng hợp năng lượng mặt trời/photon hiệu quả cao. Joule, 2023. https://doi.org/10.1016/ j.joule.2023.05.006 .
Thông tin chi tiết về Trung tâm Năng lượng KIT
Với tư cách là “Đại học Nghiên cứu trong Hiệp hội Helmholtz”, KIT tạo ra và truyền đạt kiến thức cho xã hội và môi trường. Mục đích là để đóng góp đáng kể cho những thách thức toàn cầu trong lĩnh vực năng lượng, di động và thông tin. Khoảng 9.800 nhân viên làm việc cùng nhau trên cơ sở kỷ luật rộng lớn về khoa học tự nhiên, kỹ thuật, kinh tế, nhân văn và khoa học xã hội. KIT chuẩn bị cho 22.300 sinh viên của mình thực hiện các nhiệm vụ có trách nhiệm trong xã hội, kinh doanh và khoa học thông qua các nghiên cứu đại học theo định hướng nghiên cứu. Hoạt động đổi mới tại KIT thu hẹp khoảng cách giữa kiến thức và ứng dụng vì lợi ích xã hội, thịnh vượng kinh tế và bảo tồn nền tảng cuộc sống tự nhiên của chúng ta.
