Udvinding af rent brændstof fra sollys

At skaffe nok energi til at opfylde menneskelige behov er en af ​​de største udfordringer samfundet nogensinde har stået over for. Tidligere pålidelige kilder - olie, gas og kul - er forringende luftkvalitet, ødelægger land og hav og ændrer den skrøbelige balance i det globale klima, gennem frigivelse af CO2 og andre drivhusgasser. I mellemtiden Jordens hurtigt industrialiserede befolkning forventes at nå 10 milliarder i 2050. Rene alternativer er et presserende behov.

Forskere ved ASU's Biodesign Center for Applied Structural Discovery udforsker nye teknologier, der kan bane vejen for rengøring, bæredygtig energi for at imødekomme den skrækkelige globale efterspørgsel.

I ny forskning, der vises i Journal of the American Chemical Society ( JACS ), ACS flagskibsblad, hovedforfatter Brian Wadsworth, sammen med kollegaer Anna Beiler, Diana Khusnutdinova, Edgar Reyes Cruz, og den tilsvarende forfatter Gary Moore beskriver teknologier, der kombinerer lysopsamlende halvledere og katalytiske materialer, der er i stand til kemiske reaktioner, der producerer rent brændstof.

Den nye undersøgelse udforsker det subtile samspil mellem de primære komponenter i sådanne enheder og skitserer en teoretisk ramme for at forstå de underliggende brændstofdannende reaktioner. Resultaterne foreslår strategier til at forbedre effektiviteten og ydeevnen af ​​sådanne hybridteknologier, bringe dem et skridt tættere på kommerciel levedygtighed.

Produktion af brint og reducerede former for kulstof ved hjælp af disse teknologier kunne en dag erstatte fossile brændstofkilder til en bred vifte af reducerede kulstofvarer, herunder brændstoffer, plast og byggematerialer.

"I dette særlige arbejde har vi udviklet systemer, der integrerer lysindfangnings- og konverteringsteknologier med kemisk-baserede energilagringsstrategier, " siger Moore, som er adjunkt på ASU's School of Molecular Sciences. I stedet for direkte generering af elektricitet fra sollys, denne nye type teknologi bruger solenergi til at drive kemiske reaktioner, der er i stand til at producere brændstoffer, som lagrer solens energi i kemiske bindinger. "Det er her, katalyse bliver ekstremt vigtigt. Det er kemien i at kontrollere både selektiviteten af ​​reaktioner og de overordnede energikrav til at drive disse transformationer, "Siger Moore.

Noget nyt under solen

En af de mest attraktive kilder til bæredygtig, kulstofneutral energiproduktion er både gammel og rigelig:sollys. Ja, indførelse af solenergiteknologier har taget betydeligt fart i de seneste år.

Fotovoltaiske (PV) enheder, eller solceller, samle sollys og omdanne energien direkte til elektricitet. Forbedrede materialer og lavere omkostninger har gjort solceller til en attraktiv energimulighed, især i solbeskinnede stater som Arizona, med store solpaneler, der dækker flere hektar, der er i stand til at forsyne tusindvis af hjem.

"Men det er ikke nok at have adgang til solenergi ved hjælp af solceller. " bemærker Moore. Mange vedvarende energikilder som sollys og vindkraft er ikke altid tilgængelige, så lagring af intermitterende kilder er en vigtig del af enhver fremtidig teknologi for at imødekomme globale menneskelige energibehov i stor skala.

Som Moore forklarer, låne en side fra Nature's håndbog kan hjælpe forskere med at udnytte solens strålende energi til at generere bæredygtige brændstoffer. "En ting er klar, "Siger Moore." Vi vil sandsynligvis fortsætte med at bruge brændstoffer som en del af vores energiinfrastruktur i en overskuelig fremtid, især til applikationer, der involverer jord- og lufttransport. Det er her, den bioinspirerede del af vores forskning bliver særlig relevant – vi ser til naturen for at få tips til, hvordan vi kan udvikle nye teknologier til at producere brændstoffer, der er kulstoffrie eller neutrale."

Solar flair

Et af naturens mere imponerende tricks involverer brugen af ​​sollys til at producere energirige kemikalier, en proces mestret for milliarder af år siden af ​​planter og andre fotosyntetiske organismer. "I denne proces, lys absorberes, og energien bruges til at drive en række komplekse biokemiske transformationer, der i sidste ende producerer de fødevarer, vi spiser, og over lange geologiske tidsskalaer, de brændstoffer, der driver vores moderne samfund, " siger Moore.

I den aktuelle undersøgelse, gruppen analyserede nøglevariabler, der styrer effektiviteten af ​​kemiske reaktioner, der bruges til at producere brændstof gennem forskellige kunstige enheder. "I denne avis, vi har udviklet en kinetisk model til at beskrive samspillet mellem lysabsorption på halvlederoverfladen, ladningsmigrering i halvlederen, ladningsoverførsel til vores katalysatorlag og derefter det kemiske katalysetrin, sagde Wadsworth.

Den model, gruppen udviklede, er baseret på en lignende ramme, der styrer enzymadfærd, kendt som Michaelis-Menten kinetik, som beskriver forholdet mellem enzymatiske reaktionshastigheder og det medium, hvori reaktionen finder sted (eller substrat). Her, denne model anvendes på teknologiske enheder, der kombinerer lysindvindende halvledere og katalytiske materialer til brændstofdannelse.

"Vi beskriver disse hybridmaterialers brændstofdannende aktiviteter som en funktion af lysintensitet og også potentialet, " siger Wadsworth. (Lignende kinetiske modeller af Michaelis-Menten-typen har vist sig nyttige til at analysere sådanne fænomener som antigen-antistofbinding, DNA-DNA hybridisering, og protein-protein interaktion.)

Ved modellering af systemets dynamik, gruppen gjorde en overraskende opdagelse. "I dette særlige system er vi ikke begrænset af, hvor hurtigt katalysatoren kan drive den kemiske reaktion, "Moore siger." Vi er begrænset af evnen til at levere elektroner til den katalysator og aktivere den. Det er relateret til lysintensiteten, der rammer overfladen. Brian, Anna, Diana, og Edgar har vist i deres eksperimenter, at øget lysintensitet øger hastigheden af ​​brændstofdannelse."

Opdagelsen har konsekvenser for det fremtidige design af sådanne enheder med henblik på at maksimere deres effektivitet. "Simpelthen tilføjelse af mere katalysator til overfladen af ​​hybridmaterialet resulterer ikke i større brændstofproduktion. Vi er nødt til at overveje de lysabsorberende egenskaber af den underliggende halvleder, hvilket igen tvinger os til at tænke mere over valget af katalysator og hvordan katalysatoren interagerer med den lysabsorberende komponent."

Håbstråle

Der mangler meget arbejde, før sådanne sol-til-brændstof-løsninger er klar til bedste sendetid. At gøre teknologier som disse praktiske i forhold til menneskelige krav kræver effektivitet, overkommelighed og stabilitet. "Biologiske samlinger har evnen til selv at reparere og reproducere; teknologiske samlinger har været begrænset i dette aspekt. Det er et område, hvor vi kan lære mere af biologi, " siger Moore.

Opgaven kunne næsten ikke være mere presserende. Den globale efterspørgsel efter energi forventes at vokse fra omkring 17 terawatt i dag til svimlende 30 terawatt i midten af ​​århundredet. Ud over betydelige videnskabelige og teknologiske forhindringer, Moore understreger, at dybtgående politiske ændringer også vil være afgørende. "Der er et reelt spørgsmål om, hvordan vi skal opfylde vores fremtidige energibehov. Hvis vi skal gøre det på en miljøbevidst og ligeværdig måde, det kommer til at kræve et seriøst politisk engagement."

Den nye forskning er et skridt på den lange vej til en bæredygtig fremtid. Gruppen bemærker, at deres resultater er vigtige, fordi de sandsynligvis er relevante for en lang række kemiske transformationer, der involverer lysabsorberende materialer og katalysatorer. "Nøgleprincipperne, især samspillet mellem belysningsintensitet, light absorption and catalysis should apply to other materials as well, " Moore says.