Современный мир стоит на пороге энергетической и экологической трансформации, где ключевую роль играют технологии улавливания и преобразования углекислого газа (CO2). В ходе борьбы с изменением климата возрастающий интерес вызывают инновационные способы использования растворенного CO2 в природных водных объектах для синтеза топлива, что открывает перспективы в сфере возобновляемой энергетики и снижения углеродного следа. Особенно перспективным направлением является преобразование миллимолярных концентраций растворенного CO2 в углеродные топлива с помощью фотоэлектрохимических устройств, использующих молекулярный поток для эффективной транспортировки и переработки реагентов. Растворенный CO2 в морской воде существует преимущественно в форме бикарбоната (HCO3−) с концентрацией порядка 2.3 миллимоляр, что в 140 раз выше, чем концентрация CO2 в атмосфере.
Несмотря на потенциально доступный запас углерода, низкая концентрация активного CO2 в форме растворенного газа (CO2(aq)) ограничивает возможности его непосредственного использования в электрокаталитических процессах. Традиционные подходы включают предварительное извлечение CO2 из воды или подачу газового CO2, однако они сопряжены с высокими энергозатратами и низкой эффективностью. Одной из инновационных разработок является интегрированное фотоэлектрохимическое устройство, в котором фотокатоды и фотоаноды расположены так, чтобы обеспечить создание молекулярного потока CO2 в пределах тонкого пограничного слоя. В основе лежит процесс кислотного гидролиза бикарбоната на поверхности BiVO4 фотоанода с выделением H+ и формированием растворенного CO2, который затем транспортируется потоком к Si фотокатоду для восстановления на специальные каталитические покрытия Ag-Au/CrOx с образованием продуктов, таких как монооксид углерода (CO) и потенциально углеводороды. Ключевое техническое достижение состоит в преодолении транспортных ограничений, характерных для традиционных систем с диффузионным переносом реагентов.
При статическом или слабом перемещении раствора CO2 быстро реагирует с гидроксид-ионами (OH−), что ведет к его истощению и низкой селективности катодных реакций. Использование контролируемого потока в пределах граничного слоя способствует концентрации CO2 на поверхности катода и снижает локальные подъемы pH, создавая благоприятные условия для катализа. Важным аспектом является осуществление потока с регулируемой скоростью в диапазоне от 0 до 0.77 м/с, что значительно повышает мошеническую деятельность и эффективность системы. Экспериментальные результаты показывают, что при увеличении скорости потока Faradaic выработка CO увеличивается почти в семь раз при сохранении стабильной фототока, а общая эффективность преобразования солнечного света в топливо достигает 0.
71%. Такая эффективность является рекордной среди устройств, основанных на BiVO4, и открывает путь к экономически жизнеспособной технологии солнечного синтеза топлива из морских источников углерода. Дополнительным преимуществом данной системы выступает использование 3D-печатных реакторов с уникальной конструкцией, обеспечивающей создание вихревых потоков, которые способствуют равномерному распределению реагентов и минимизации потерь активных веществ. Эти реакторы могут быть масштабированы для промышленного применения и адаптированы под различные условия эксплуатации, включая плавающие установки, работающие на энергии океанских течений и приливов. Для поддержания стабильности и повышения долговечности фотоанодов их поверхность покрывается тонкими слоями NiFe(OH)x и CrOx, что эффективно ускоряет реакции выделения кислорода и предотвращает окислительный разложение и коррозию в морской среде.
Поверхностные модификации катодов позволяют минимизировать побочные процессы, включая восстановление кислорода и образование побочных продуктов, тем самым повышая селективность и выход целевых углеродсодержащих продуктов. Важной составляющей научного прорыва стала разработка комплексного мультифизического моделирования, сочетающего гидродинамику, массоперенос и кислотно-основные реакции в растворе. Моделирование позволяет предсказывать поведение локальных концентраций CO2, H+, OH− и других ионов, а также оптимизировать геометрию и режимы работы реактора. В частности, расчет толщины граничного слоя и анализа числа Дамкёллера показывает, что молекулярный поток CO2 достигает катодной поверхности с минимальными потерями на реакцию с буферными компонентами, что подтверждается высокой экспериментальной селективностью реакции. Проведенные исследования подтверждают потенциал применения технологии молекулярного потока не только для преобразования растворенного CO2, но и для других процессов, связанных с электрохимическим синтезом топлива и химикатов из разбавленных или низкоконцентрированных источников.
Преобразование связанного углерода в морской воде в топливо посредством фотоэлектрохимии может стать перспективной стратегией в реализации устойчивой энергетики и химической индустрии с минимальным экологическим воздействием. Среди перспектив развития проекта можно выделить использование полупроводников с более узкой шириной запрещенной зоны, таких как тринитрид тантала (Ta3N5), что позволит повысить эффективность поглощения солнечного света и увеличить выход фототока. Также перспективны дальнейшие схемы оптимизации расстояния между анодом и катодом, моторика потока и управление местным рН, что совместно может увеличить селективность и производительность системы. Возводящиеся исследования и практическая реализация позволяют надеяться на будущие промышленные установки с возможностью компактного размещения на океанских поверхностях, работающих за счет естественных течений и солнечного света, что в комплексе решит вопросы улавливания углерода и производства возобновляемого топлива. Технология сочетает в себе масштабируемость, энергоэффективность и экологическую безопасность, что особенно важно для глобальных усилий по переходу к устойчивому развитию и снижению углеродных выбросов.
Таким образом, преобразование миллимолярного растворенного CO2 в морской воде в углеродные топливо с использованием молекулярного потока и передовых фотоэлектрохимических технологий становится одним из перспективных направлений научных исследований и инженерных разработок. Эти достижения не только прокладывают путь к получению возобновляемой энергии, но и предлагают новые решения в области управления углеродным циклом и климатической устойчивости на планете.
