Konvertering af solenergi til brintbrændstof, med hjælp fra fotosyntese

Global økonomisk vækst kommer med stigende efterspørgsel efter energi, men at øge energiproduktionen kan være udfordrende. For nylig, forskere har opnået rekordeffektivitet for sol-til-brændstof konvertering, og nu vil de inkorporere fotosyntesens maskineri for at skubbe det videre. Forskerne vil præsentere deres resultater i dag på American Chemical Society (ACS) Fall 2020 Virtual Meeting &Expo.

"Vi ønsker at fremstille et fotokatalytisk system, der bruger sollys til at drive kemiske reaktioner af miljømæssig betydning, " siger Lilac Amirav, Ph.D., projektets hovedefterforsker.

Specifikt, hendes gruppe ved Israel Institute of Technology designer en fotokatalysator, der kan nedbryde vand til brintbrændstof. "Når vi placerer vores stavformede nanopartikler i vand og kaster lys på dem, de genererer positive og negative elektriske ladninger, " siger Amirav. "Vandmolekylerne går i stykker; de negative ladninger producerer brint (reduktion), og de positive ladninger producerer ilt (oxidation). De to reaktioner, involverer positive og negative ladninger, skal foregå samtidigt. Uden at udnytte de positive ladninger, de negative ladninger kan ikke dirigeres til at producere det ønskede brint."

Hvis de positive og negative ladninger, som er tiltrukket af hinanden, formår at rekombinere, de annullerer hinanden, og energien er tabt. Så, for at sikre, at ladningerne er langt nok fra hinanden, holdet har bygget unikke heterostrukturer bestående af en kombination af forskellige halvledere, sammen med metal- og metaloxidkatalysatorer. Ved hjælp af et modelsystem, de studerede reduktions- og oxidationsreaktionerne separat og ændrede heterostrukturen for at optimere brændstofproduktionen.

I 2016 holdet designede en heterostruktur med en sfærisk cadmium-selenid-kvanteprik indlejret i et stavformet stykke cadmiumsulfid. En metallisk platinpartikel var lokaliseret ved spidsen. Cadmium-selenid-partiklen tiltrak positive ladninger, mens negative ladninger akkumulerede på spidsen. "Ved at justere størrelsen af ​​kvanteprikken og længden af ​​stangen, samt andre parametre, vi opnåede 100 % omdannelse af sollys til brint fra vandreduktion, " siger Amirav. En enkelt fotokatalysator nanopartikel kan producere 360, 000 molekyler brint i timen, bemærker hun.

Gruppen offentliggjorde deres resultater i ACS-tidsskriftet Nano bogstaver . Men i disse eksperimenter, de studerede kun halvdelen af ​​reaktionen (reduktionen). For korrekt funktion, det fotokatalytiske system skal understøtte både reduktions- og oxidationsreaktioner. "Vi omdannede ikke solenergi til brændstof endnu, " siger Amirav. "Vi havde stadig brug for en oxidationsreaktion, der konstant ville levere elektroner til kvanteprikken." Vandoxidationsreaktionen sker i en flertrinsproces, og som følge heraf er det fortsat en betydelig udfordring. Ud over, dets biprodukter synes at kompromittere halvlederens stabilitet.

Sammen med samarbejdspartnere, gruppen udforskede en ny tilgang - på udkig efter forskellige forbindelser, der kunne oxideres i stedet for vand - hvilket førte dem til benzylamin. Forskerne fandt ud af, at de kunne producere brint fra vand, samtidig med at benzylamin omdannes til benzaldehyd. "Med denne forskning, vi har transformeret processen fra fotokatalyse til fotosyntese, det er, ægte omdannelse af solenergi til brændstof, " siger Amirav. Det fotokatalytiske system udfører ægte omdannelse af solenergi til kemiske bindinger, der kan lagres, med et maksimum på 4,2 % sol-til-kemisk energikonverteringseffektivitet. "Dette tal etablerer en ny verdensrekord inden for fotokatalyse, og fordobler den tidligere rekord, " bemærker hun. "Det amerikanske energiministerium definerede 5-10% som den 'praktiske gennemførlighedstærskel' for at generere brint gennem fotokatalyse. Derfor, vi står lige foran en økonomisk levedygtig sol-til-brint-konvertering."

Disse imponerende resultater har motiveret forskerne til at se, om der er andre forbindelser med høj sol-til-kemisk omdannelse. For at gøre det, holdet bruger kunstig intelligens. Gennem et samarbejde, forskerne er ved at udvikle en algoritme til at søge i kemiske strukturer efter en ideel brændstofproducerende forbindelse. Ud over, de undersøger måder at forbedre deres fotosystem på, og en måde kan være at hente inspiration fra naturen. Et proteinkompleks i plantecellemembraner, der omfatter fotosyntesens elektriske kredsløb, blev med succes kombineret med nanopartikler. Amirav siger, at dette kunstige system indtil videre har vist sig frugtbart, understøtter vandoxidation, mens den giver fotostrøm, der er 100 gange større end den, der produceres af andre lignende systemer.