Команда Калифорнийского университета в Калгари наблюдает за фотореактором, который используется для реакции фотореформирования с пшеничной соломой. Слева направо: профессор М.Д. Голам Кибриа, доктор Аднан Хан (научный сотрудник), доктор Хэн Чжао (научный сотрудник), профессор Цзингуанг Ху. Предоставлено: профессор Ху и группа Кибриа.
Многие мечтали превратить солому в золото, как легендарный Румпельштильцхен. Хотя это может быть невозможно в буквальном смысле слова, ученые используют солнечный свет, чтобы превратить солому во что-то более ценное.
С помощью технологии источника света (CLS) в Университете Саскачевана канадские исследователи добились важных успехов в использовании энергии солнца для преобразования биомассы, такой как пшеничная солома в водородное топливо и биохимические продукты с добавленной стоимостью. Этот способ более эффективен, экологичен и прибылен.
«Производство энергии из биомассы или растительного материала изучается более четырех десятилетий», — сказал доктор Джингуанг Ху, доцент Университета Калгари (Калифорния). Два наиболее распространенных процесса — это термохимический и биологический, но они по-прежнему являются углеродоемкими и экономически нецелесообразными.
Доктор Ху и доктор Голам Кибрия, доцент Калифорнийского университета в Калгари, сосредоточили свои недавние исследования на альтернативном подходе к широко используемым нефтеперерабатывающим заводам. Их новый и экологически чистый подход под названием «фотобиорефайн» использует солнечную энергию для разложения биомассы, в данном случае пшеничной соломы, для получения зеленого водорода и ценного биохимического вещества. Канадский фонд передового опыта в области исследований (CFREF) поддерживает это исследование, и его недавние результаты были опубликованы Американским химическим обществом.
Одним из ключевых аспектов эффективного подхода к фотоочистке биомассы является предварительная обработка пшеничной соломы. Ху объяснил, что стенки растительных клеток состоят из сложных и высокоорганизованных целлюлозных структур, основного строительного блока биомассы. Предварительная обработка биомассы разрушает эти структуры и подвергает больше материала воздействию солнечного излучения. Кибрия добавил, что цель состояла в том, чтобы определить предварительную обработку, которая не требует невозобновляемых ресурсов, тем самым «сэкономив много углерода и сэкономив».
Используя канал для жесткого рентгеновского микроанализа от CLS, исследователи сравнили, как сырая пшеничная солома и солома, предварительно обработанные разными способами, реагируют на фотоочистке. Их результаты показали, что предварительная обработка фосфорной кислотой привела к максимальному производству зеленого водорода и молочной кислоты, которые обычно используются для производства биопластиков, а также в пищевой, химической и медицинской промышленности.
«Установка CLS позволила нам увидеть, насколько стабильным был материал в начале, во время и после фотоочистки пшеничной соломы. И мы могли видеть это в режиме реального времени, что является большим преимуществом», — сказал Кибрия.
Другим критическим фактором был поиск недорогого и доступного катализатора для работы фотоочистки. Исследование показало, что наилучшие результаты получены при использовании недорогого фотокатализатора на основе углерода и азота, который разработан для фотореформинга целлюлозы с помощью видимого света.
«Поскольку вся биомасса имеет схожий химический состав, мы показали, что вы можете адаптировать предварительную обработку и катализатор для повышения ценности любого возобновляемого органического материала», — сказал Ху. Это открытие открывает возможности для превращения соломы и других растительных материалов в экологически чистый водород и биохимические продукты с добавленной стоимостью.
Кибрия сказал, что следующие шаги в исследовании будут состоять в том, чтобы «настроить катализатор для захвата большей части спектра видимого света», а затем увеличить масштаб фотоочистки с прицелом на возможную коммерциализацию.
«Поскольку биомасса захватывает углекислый газ из атмосферы, мы можем использовать этот процесс, чтобы заботиться об окружающей среде и производить зеленый водород и химические вещества, которые являются экономически жизнеспособными», — сказал он.