Lovende ny soldrevet vej til brintbrændstofproduktion

Ingeniører ved Lehigh University er de første til at udnytte en enkelt enzym biomineraliseringsproces til at skabe en katalysator, der bruger energien fra indfanget sollys til at splitte vandmolekyler til at producere brint. Synteseprocessen udføres ved stuetemperatur og under omgivelsestryk, overvinde bæredygtigheds- og skalerbarhedsudfordringerne ved tidligere rapporterede metoder.

Soldrevet vandopdeling er en lovende vej mod en vedvarende energibaseret økonomi. Det genererede brint kan tjene som både et transportbrændstof og et kritisk kemisk råstof til gødning og kemisk produktion. Begge disse sektorer bidrager i øjeblikket med en stor brøkdel af de samlede drivhusgasemissioner.

En af udfordringerne ved at realisere løftet om solcelledrevet energiproduktion er, at mens det nødvendige vand er en rigelig ressource, tidligere udforskede metoder anvender komplekse ruter, der kræver miljøskadelige opløsningsmidler og enorme mængder energi til at producere i stor skala. Omkostningerne og miljøskaderne har gjort disse metoder upraktiske som en langsigtet løsning.

Nu har et team af ingeniører ved Lehigh University udnyttet en biomineraliseringsmetode til syntetisering af både kvantbegrænsede nanopartikelmetalsulfidpartikler og det understøttende reducerede grafenoxidmateriale til at skabe en fotokatalysator, der spalter vand til dannelse af brint. Teamet rapporterede deres resultater i en artikel med titlen:"Enzymatisk syntese af understøttede CdS -kvanteprikker/reducerede grafenoxidfotokatalysatorer" fremhævet på forsiden af ​​7. august -udgaven af Grøn kemi , et tidsskrift for Royal Society of Chemistry.

Papirets forfattere omfatter:Steven McIntosh, Professor i Lehighs afdeling for kemisk og biomolekylær teknik, sammen med Leah C. Spangler, tidligere ph.d. studerende og John D. Sakizadeh, nuværende ph.d. studerende; såvel, som Christopher J. Kiely, Harold B. Chambers Senior Professor i Lehighs Institut for Materialevidenskab og Engineering og Joseph P. Cline, en ph.d. studerende, der arbejder med Kiely.

"Vores vandbaserede proces repræsenterer en skalerbar grøn rute til produktion af denne lovende fotokatalysatorteknologi, "sagde McIntosh, som også er associeret direktør for Lehigh's Institute for Functional Materials and Devices.

I løbet af de sidste år har McIntoshs gruppe har udviklet en enkelt enzymmetode til biomineralisering-den proces, hvorved levende organismer producerer mineraler af størrelsesstyret, kvantumbegrænsede metalsulfid -nanokrystaller. I et tidligere samarbejde med Kiely, laboratoriet demonstrerede med succes den første præcist kontrollerede, biologisk måde at fremstille kvanteprikker på. Deres et-trins metode begyndte med konstruerede bakterieceller i en enkel, vandig opløsning og sluttede med funktionelle halvledende nanopartikler, alt sammen uden at ty til høje temperaturer og giftige kemikalier. Metoden blev omtalt i en artikel i New York Times:"Hvordan en mystisk bakterie næsten gav dig et bedre tv."

"Andre grupper har eksperimenteret med biomineralisering til kemisk syntese af nanomaterialer, "siger Spangler, hovedforfatter og i øjeblikket en postdoktoral stipendiat ved Princeton University. "Udfordringen har været at opnå kontrol over materialernes egenskaber, såsom partikelstørrelse og krystallinitet, så det resulterende materiale kan bruges til energiopplikationer."

McIntosh beskriver, hvordan Spangler var i stand til at indstille gruppens etablerede biomineraliseringsproces til ikke kun at syntetisere cadmiumsulfid -nanopartikler, men også for at reducere grafenoxid til den mere ledende reducerede grafenoxidform.

"Hun var derefter i stand til at binde de to komponenter sammen for at skabe en mere effektiv fotokatalysator bestående af nanopartikler understøttet af det reducerede grafenoxid, "siger McIntosh." Dermed gjorde hendes hårde arbejde og den resulterende opdagelse det muligt for begge kritiske komponenter at fotokatalysatoren syntetiseres på en grøn måde. "

Teamets arbejde demonstrerer nytten af ​​biomineralisering til at realisere godartet syntese af funktionelle materialer til brug i energisektoren.

"Industrien kan overveje at implementere sådanne nye synteseruter i stor skala, "tilføjer Kiely." Andre forskere kan også være i stand til at udnytte begreberne i dette arbejde til at skabe andre materialer af kritisk teknologisk betydning. "

McIntosh understreger potentialet i denne lovende nye metode som "en grøn rute, til en grøn energikilde, bruger rigelige ressourcer. "

"Det er afgørende at erkende, at enhver praktisk løsning på grønningen af ​​vores energisektor skal implementeres i enorm skala for at få nogen væsentlig indvirkning, "tilføjer han.