На протяжении десятилетий ученые работали над тем, чтобы использовать энергию солнечного света для запуска химических реакций с образованием топлива, такого как водород, который обеспечивает способ хранения солнечной энергии для будущего использования. С этой целью многие исследователи работали над разработкой функциональных, эффективных и экономичных методов разделения воды на водород, чистое топливо и кислород с использованием фотоэлектрохимических солнечных элементов (ФЭП). Хотя для расщепления воды с помощью электрохимической ячейки требуется подача электроэнергии, PEC может использовать солнечную энергию для запуска реакции расщепления воды. PEC требует значительно меньшего количества потребляемой электроэнергии или вообще ее отсутствия.
В типичном ПЭК, производящем водород, восстановление воды на катоде (производство водорода) сопровождается окислением воды на аноде (образование кислорода). Хотя целью ячейки не является производство кислорода, анодная реакция необходима для замыкания цепи. К сожалению, скорость реакции окисления воды очень мала, что ограничивает скорость всей реакции и эффективность преобразования солнечной энергии в водород. Поэтому исследователи в настоящее время работают над разработкой более эффективных катализаторов для облегчения анодной реакции.
Чхве вместе с докторантом Хён Гил Ча выбрали совершенно новый подход к решению этой проблемы. Они разработали новую установку PEC с новой анодной реакцией. Эта анодная реакция требует меньше энергии и протекает быстрее, чем окисление воды, при этом образуется промышленно важный химический продукт. Анодная реакция, которую они использовали в своем исследовании, – это окисление 5-гидроксиметилфурфурола (HMF) до 2,5-фурандикарбоновой кислоты (FDCA).
HMF является ключевым промежуточным продуктом в конверсии биомассы, который может быть получен из целлюлозы – типа дешевого и распространенного растительного вещества. FDCA – важная молекула для производства полимеров.
Конверсия биомассы может предложить жизнеспособный путь для производства химикатов, используемых в промышленных процессах, без использования нефтепродуктов. В обычных процессах преобразования биомассы для преобразования HMF в FDCA при высоких температурах используется кислород под высоким давлением.
Однако Чой и Ча разработали эффективный электрохимический метод окисления HMF до FDCA при комнатной температуре и атмосферном давлении с использованием воды в качестве источника кислорода. Затем они использовали эту реакцию окисления как анодную реакцию PEC, которая производит водород на катоде. Тем самым они продемонстрировали полезность солнечной энергии для преобразования биомассы, а также возможность использования реакции окислительного преобразования биомассы в качестве анодной реакции в водородообразующем PEC.
«Поскольку фотоэлектрохимический элемент создан для производства водорода, а окисление HMF просто заменяет производство кислорода на аноде, по сути, никакие ресурсы не используются специально для окисления HMF», – говорит Чой.
Другими словами, FDCA – это дополнительный побочный продукт от PEC, который генерирует водород. Производство FDCA, ценного химического вещества, на аноде снижает стоимость производства водорода.
Таким образом, этот новый подход открывает новые возможности для исследований как преобразования солнечной энергии, так и преобразования биомассы.
«Когда мы впервые начали это исследование, мы не были уверены, что наш подход действительно осуществим», – говорит Чой. «Однако, поскольку мы знали, что влияние исследования может быть высоким в случае успеха, мы решили вложить наше время и усилия в этот новый исследовательский проект на стыке преобразования биомассы и преобразования солнечной энергии."
На разработку и оптимизацию каждой части полной установки солнечных элементов, продемонстрированной в исследовании, у исследователей ушло около двух лет. Чой ожидает, что разработка более разнообразных и эффективных процессов электрохимического и солнечного преобразования биомассы повысит эффективность и полезность ПЭК, производящих солнечное топливо.