Исследователи из Китая и Швеции нашли новый способ преобразования углекислого газа и воды в метан, монооксид углерода или муравьиную кислоту — используя энергию от солнечного света. Статья ученых опубликована журнале ACS Nano.

Растения преобразуют углекислый газ и воду в кислород и высокоэнергетические сахара, которые они используют для существования и развития. Энергию для этого процесса обеспечивает солнечный свет. Исследователи из Линчепингского университета и Классического университета Центрального Китая попытались сымитировать эту реакцию для захвата углекислого газа из воздуха и его преобразования в химические соединения, такие как метан, этанол и метанол.

Для этого ученые используют графен — монослой графита. Он эластичный, гибкий, прозрачный для солнечного света и хорошо проводит электричество. Такое сочетание свойств позволяет использовать графен в электронике и биомедицине. Однако такой материал сам по себе не подходит для преобразования солнечной энергии. Поэтому исследователи объединили графен с полупроводниковым кубическим карбидом кремния.

Новый фотоэлектрод объединяет способность кубического карбида кремния преобразовывать энергию солнечного света в электрический ток с прозрачностью графена для солнечного света и его стойкостью к механическим нагрузкам. Фотоэлектрод можно совместить с катодами из различных металлов, таких как медь, цинк или висмут.

С помощью такой ячейки можно избирательно преобразовывать углекислый газ в метан, монооксид углерода и муравьиную кислоту. Выбрать необходимый продукт при этом можно, меняя комбинацию электродов.

Ученые испытали новый электрод в каталитической системе в качестве анода вместе с медным катодом. В качестве сырья исследователи использовали углекислый газ и воду. В результате на выходе авторы получили 63% воды и 13,6% метана. Если же система SiC/однослойный графен использовалась в качестве анода, выход метана возрастал до 60,5%. Также исследователи выяснили, что добавление к материалу такого анода FeOOH приводит к увеличению выхода метана до 82,8%. А если в качестве катода использовать платину, в конечной смеси будет преобладать водород (91,2%). Это значит, что такой материал также можно использовать для получения водородного топлива с помощью солнечной энергии.

Согласно выводам исследователей, графен, обладающий чрезвычайно высокой проводимостью, защищает поверхность SiC от фотокоррозионного воздействия. Он также является источником носителей заряда для катализатора. Это позволяет повысить как стабильность, так и эффективность работы всей системы.