تولید سوخت از نور خورشید توسط سامانه برگ مصنوعی

محققان آمریکایی، سامانه‌ای مقرون‌به‌صرفه و مؤثر طراحی کرده‌اند که قادر است انرژی نور خورشید را به سوخت شیمیایی قابل ذخیره‌سازی تبدیل کند. این سیستم که از کاتالیست‌های فعال و در عین حال ارزان‌قیمت بهره می‌برد؛ قادر است10 درصد انرژی نور خورشید را به انرژی ذخیره‌شده در سوخت شیمیایی تبدیل ‌کند.
تولید و‌ ذخیره انرژی‌های تجدیدپذیر نظیر انرژی خورشیدی یا نیروی باد، یکی از موانع کلیدی در برابر یک اقتصاد مبتنی بر انرژی پاک می‌باشد. در زمان تأسیس کمیته مشترک فتوسنتز مصنوعی (JCAP) و مؤسسات همکارش در دانشگاه کل‌تک (Caltech) در سال 2010، مهم‌ترین هدف محققین، یافتن روشی مقرون‌به‌صرفه و مشابه فرایند فتوسنتز در گیاهان، برای تولید سوخت از نور خورشید، آب و کربن‌ دی‌اکسید و ذخیره انرژی به صورت سوخت شیمیایی بود.در طول پنج سال اخیر، پژوهشگران این کمیته به پیشرفت‌های اساسی در این زمینه دست یافته‌اند و هم‌اکنون نیز توسعه اولین سامانه خورشیدی یکپارچه، ایمن، کارآمد و کامل برای شکافت آب و تولید سوخت‌های هیدروژنی از آن را اعلام کرده‌اند. این سامانه تولید سوخت خورشیدی جدید که سامانه "برگ مصنوعی" نیز نامیده می‌شود، دارای سه جزء اصلی می‌باشد: دو الکترود (یک آند نوری و یک کاتد نوری) و یک غشا. آند نوری از نور خورشید برای اکسایش مولکول‌های آب و تولید پروتون و الکترون و نیز گاز اکسیژن استفاده می‌کند. کاتد نوری نیز پروتون‌ها و الکترون‌های تولیدشده را برای تولید گاز هیدروژن با یکدیگر ترکیب می‌کند. غشای پلاستیکی مخصوص این سامانه، یکی از اجزای حیاتی است که منجر به کارایی و ایمنی سامانه جدید می‌شود. این غشا، امکان جریان روان و پیوسته یون‌ها و تکمیل مدار الکتریکی داخل سلول را فراهم می‌آورد و در عین حال، گازهای هیدروژن و اکسیژن را از یکدیگر جدا کرده و به‌تبع آن، از وقوع انفجار نیز جلوگیری می‌کند.نیمه‌رساناهایی نظیر سیلیکون یا گالیوم‌آرسنید، از توانایی جذب مؤثر نور برخوردارند و به‌همین دلیل، در صفحات خورشیدی استفاده می‌شوند. ولی با این وجود، سطح این ترکیبات در تماس با آب، اکسیدشده و زنگ می‌زند. بنابراین نمی‌توان از آن‌ها به‌طور مستقیم در تولید سوخت استفاده‌کرد. محققان در آزمایشگاه لوئیس، در یکی از مطالعات گذشته خود نشان دادند که با افزودن لایه‌ای از تیتانیم دی‌اکسید به ضخامت چند نانومتر بر روی این الکترودها می‌توان از خوردگی آن‌ها جلوگیری‌کرد. این کار علاوه‌بر جلوگیری از خوردگی، در عبور نور و الکترون‌ها نیز اختلالی ایجاد نمی‌کند.