Naturinspireret grøn energiteknologi rydder vigtig udviklingshindring

Videnskabsmanden Heinz Frei har brugt årtier på at bygge en kunstig version af en af ​​naturens mest elegante og effektive maskiner:bladet.

Fri, og mange andre forskere rundt om i verden, forsøge at bruge fotosyntese - den sollysdrevne kemiske reaktion, som grønne planter og alger bruger til at omdanne kuldioxid (CO) ₂ ) til cellulært brændstof - for at generere den slags brændstof, der kan drive vores hjem og køretøjer. Hvis den nødvendige teknologi kunne raffineres forbi teoretiske modeller og prototyper i laboratorieskala, denne måneskud idé, kendt som kunstig fotosyntese, har potentiale til at generere store kilder til fuldstændig vedvarende energi ved hjælp af overskuds CO ₂ i vores atmosfære.

Med deres seneste fremskridt, Frei og hans team ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) nærmer sig nu dette mål. Forskerne har udviklet et kunstigt fotosyntesesystem, lavet af rør i nanostørrelse, der ser ud til at være i stand til at udføre alle nøgletrinene i den brændstofgenererende reaktion.

Deres seneste papir, udgivet i Avancerede funktionelle materialer , demonstrerer, at deres design giver mulighed for hurtig strømning af protoner fra det indre rum af røret, hvor de dannes ved at spalte vandmolekyler, udadtil, hvor de kombineres med CO ₂ og elektroner til at danne brændstoffet. Det brændstof er i øjeblikket kulilte, men holdet arbejder på at lave methanol. Hurtig protonstrøm, som er afgørende for effektivt at udnytte sollysenergien til at danne et brændstof, har været en torn i øjet på tidligere kunstige fotosyntesesystemer.

Nu hvor holdet har vist, hvordan rørene kan udføre alle fotosyntetiske opgaver individuelt, de er klar til at begynde at teste hele systemet. Systemets individuelle enhed vil være små firkantede "solbrændselsfliser" (adskillige tommer på en side) indeholdende milliarder af nanoskala rør klemt mellem et gulv og loft af tynde, let fleksibelt silikat, med røråbningerne gennemborende gennem disse dæksler. Frei håber på, at hans gruppes fliser kan være de første til at løse de store forhindringer, der stadig står over for denne type teknologi.

"Der er to udfordringer, som endnu ikke er blevet mødt, sagde Frei, som er seniorforsker i Berkeley Labs biovidenskabsområde. "En af dem er skalerbarhed. Hvis vi vil beholde fossile brændstoffer i jorden, vi skal være i stand til at lave energi i terawatt - en enorm mængde brændstof. Og, du er nødt til at lave et flydende kulbrintebrændstof, så vi rent faktisk kan bruge det med den eksisterende infrastruktur og teknologi for billioner af dollars."

Han bemærkede, at når der først er lavet en model, der opfylder disse krav, at bygge en solbrændstofgård ud af mange individuelle fliser kunne gå hurtigt. "Vi, som grundvidenskabsmænd, skal levere en flise der virker, med alle spørgsmål om dens præstation afklaret. Og ingeniører i industrien ved, hvordan man forbinder disse fliser. Når vi har fundet ud af kvadrattommer, de vil være i stand til at lave kvadratkilometer."

Hvordan det virker

Hver lille (ca. 0,5 mikrometer bred), hult rør inde i flisen er lavet af tre lag:et indre lag af koboltoxid, et mellemlag af silica, og et ydre lag af titaniumdioxid. I det indre lag af røret, energi fra sollys leveret til koboltoxidet spalter vand (i form af fugtig luft, der strømmer gennem indersiden af ​​hvert rør), producerer frie protoner og ilt.

"Disse protoner flyder let igennem til det ydre lag, hvor de kombineres med kuldioxid for at danne kulilte nu - og methanol i et fremtidigt trin - i en proces muliggjort af en katalysator understøttet af titaniumdioxidlaget, " sagde Won Jun Jo, en postdoc og førsteforfatter af papiret. "Brændstoffet samler sig i rummet mellem rørene, og kan let drænes ud til opsamling."

Vigtigt, det midterste lag af rørvæggen holder ilten produceret fra vandoxidation i det indre af røret, og blokerer kuldioxiden og de udviklende brændstofmolekyler på ydersiden i at trænge ind i det indre, hvorved de to meget uforenelige kemiske reaktionszoner adskilles.

Dette design efterligner faktiske levende fotosyntetiske celler, som adskiller oxidations- og reduktionsreaktioner med organiske membranrum inde i kloroplasten. På samme måde i tråd med naturens originale plan, holdets membranrør tillader den fotosyntetiske reaktion at forekomme over en meget kort afstand, minimerer det energitab, der opstår, når ioner rejser sig, og forhindrer utilsigtede kemiske reaktioner, der også ville sænke systemets effektivitet.

"Dette arbejde er en del af Berkeley Labs forpligtelse til at bidrage med løsninger på de presserende energiudfordringer, som klimaændringer udgør, " sagde Frei. "Opgavens tværfaglige karakter kræver bredden af ​​ekspertise og store faciliteter, der er unikke for Berkeley Lab. I særdeleshed, Molecular Foundrys nanofabrikations- og billeddannelsesegenskaber er afgørende for at syntetisere og karakterisere de ultratynde lag og lave arrays af hule nanorør i kvadrat-tommer-størrelse."