В течение миллионов лет, зеленые растения использовали фотосинтез, чтобы захватить энергию от солнечного света и преобразовать это в электрохимическую энергию. Цель ученых состояла в том, чтобы развить искусственную версию фотосинтеза, который может использоваться, чтобы произвести жидкие топлива от углекислого газа и воды.
Исследователи с Лоренсом Беркелеем американского Министерства энергетики, Национальная Лаборатория (Лаборатория Беркли) теперь сделали важный шаг к этой цели открытием, что кристаллы наноразмера окиси кобальта могут эффективно выполнить важную фотосинтетическую реакцию расщепления молекул воды.
"Фотоокисление водных молекул в кислород, электроны и протоны (водородные ионы) - одна из двух существенных половин реакций искусственной системы фотосинтеза,которая обеспечивает, электроны должны были уменьшить углекислый газ до топлива,” сказал Хеинз Фрей, химик с Физическим Разделением Биологических наук Лаборатории Беркли, который провел это исследование с его постдокторским товарищем Фенгом Джиао. "Эффективное фотоокисление требует катализатора, который является и эффективным в его использовании солнечных фотонов и достаточно быстро не отставать от солнечного потока, чтобы избежать тратить впустую фотоны. Группы окиси кобальта нанокристаллы достаточно эффективны и быстры, а также работоспособны длительное время и производительны. Они совершенно работоспособны.”
Фрей и Джиао сообщили о результатах их исследования в журнале Angewandte Chemie. Это исследование было выполнено через Исследовательский центр Энергии Солнца (Helios SERC), научная программа в Лаборатории Беркли под руководством Пола Аливизатоса, который нацелен на развитие топлив от солнечного света. Фрей работает представителем директора Helios SERC.
Искусственный фотосинтез для производства жидких топлив предлагает обещание возобновимого и углеродистого-нейтрального источника энергии транспортировки, означая, что это не внесло бы свой вклад в глобальное потепление, которое следует из горения нефти и угля. Идея должна улучшить процесс, который долго-служил зеленым заводам и определенным бактериям, объединяя в единственные системы легкого сбора урожая платформы, которые могут захватить солнечные фотоны и каталитические системы, которые могут окислить воду - другими словами, искусственный лист.
"Чтобы использовать в своих интересах гибкость и точность, которой легким поглощением, транспортом обвинения и каталитическими свойствами можно управлять дискретными неорганическими молекулярными структурами, мы работали с многоядерной металлической окисью нанокластера в кварце,” сказал Фреи. "В более ранней работе, мы нашли, что иридиевая окись была эффективна и достаточно быстра, чтобы сделать работу, но иридий - наименее обильный металл на земле и не подходящий для использования на очень крупном масштабе. Мы нуждались в металле, который был одинаково эффективен, но намного более производителен.”
Зеленые растения выполняют фотоокисление водных молекул в пределах комплекса белков по имени Фотосистема II, в котором содержащий марганцом ферменты служат катализатором. Металлоорганические комплексы на основе марганца, смоделированные от Фотосистемы II показали некоторое обещание как фотокатализаторы для водного окисления, но некоторые страдают от того, чтобы быть нерастворимой водой, и ни один не является очень здравым.
В поиске просто неорганических катализаторов, которые распались бы в воде и будут намного более работоспособными,чем биоматериалы, Фреи и Джиао, превращенный к окиси кобальта, очень производительный материал, который является важным индустриальным катализатором. Когда Фреи и Джиао проверили частицы размера микроном окиси кобальта, они нашли, что частицы были неэффективны и не почти достаточно быстро, чтобы служить фотокатализаторами. Однако, когда они наноразмера частицы это была другая история.
"Производительность для групп окиси кобальта (Co3O4), где кристаллы наноразмера были приблизительно в 1 600 раз выше чем для частиц размера микроном,” сказал Фреи, "и частота товарооборота (скорость) были приблизительно 1 140 молекул кислорода в секунду в группу, которая является соразмерной с солнечным потоком на уровне земли (приблизительно 1 000 ватт в квадратный метр).”
Фреи и Джиао использовали мезопоры кварца как их эшафот, выращивая их кобальт нанокристаллы в пределах естественно параллель наношкалу каналы кварца через технику, известную как "влажное оплодотворение.” Лучшие исполнители были имеющими форму прута кристаллами, измеряющими 8 нм в диаметре и 50 нм в длине, которые были связаны короткими мостами, чтобы сформировать связанные группы. Связки были сформированы как сфера диаметром 35 нм. В то время как каталитическая эффективность металла самого кобальта была важна, Фреи сказал, что главным фактором после расширенной эффективности и скорости связок был их размер.
"Мы подозреваем, что сравнительно очень большая внутренняя область этих связок на 35 нм (где катализ имеет место) была главным фактором в увеличении их эффективности,” сказал он, ", потому что, когда мы произвели большие связки (диаметры на 65 нм), внутренняя область была уменьшена, и связки потеряли большую часть эффективности.”
Фреи и Джиао будут проводить далее исследования, чтобы получить лучшее понимание того, почему их окись кобальта нанокристаллической группы, такие эффективные и быстродействующие фотокатализаторы и также изучение других металлических окисных катализаторов. Следующий большой шаг, однако, должен будет объединить водное окисление с половиной реакции с уменьшением углекислого газа в искусственной системе,как в листе растения.
"Эффективность, скорость и размер нашей окиси кобальта нанокристаллы группы сопоставимы Фотосистеме II,” сказал Фреи. "Когда Вы исследуете в качестве фактора по производительности окись кобальта, стабильность нанокластера при использовании, низком электропотенциале и pH факторе и температурных условиях, мы полагаем, что мы имеем многообещающий каталитический компонент, чтобы развить работоспособную интегрированную солнечную топливную конверсионную систему. Это - следующий важный вызов в области искусственного фотосинтеза для топливного производства.”
Исследовательский центр Энергии Солнца поддержан Директором американского Министерства энергетики.
|
