Kunstigt fotosyntesesystem får effektivitetsboost fra grafen

(Phys.org) -- Ved at omdanne sollys til kemisk energi, kunstige fotosyntesesystemer kan potentielt producere vedvarende, ikke-forurenende brændstoffer og kemikalier til en bred vifte af anvendelser. Men at udvikle en effektiv sol-til-brændstof konverteringsproces har vist sig at være ekstremt udfordrende. Selvom forskere har påvist gennemførligheden af ​​kunstig fotosyntese, at opnå en høj effektivitet har vist sig at være sværere.

I en ny undersøgelse, et team af videnskabsmænd fra Korea Research Institute of Chemical Technology i Daejon, Sydkorea, og Ewha Womans University i Seoul, Sydkorea, har vist, at grafen kan tjene som en effektiv fotokatalysator til at forbedre effektiviteten af ​​et kunstigt fotosyntesesystem. Som fotokatalysator, grafen bruger sollys til at anspore reaktionen uden selv at blive involveret.

Som forskerne forklarer, en god fotokatalysator til et sådant system bør fungere i det synlige lysspektrum, da 46 % af den samlede sollysenergi på Jorden er i det synlige område og kun 4 % i UV-området. Tidligere undersøgelser har eksperimenteret med grafen-halvleder-kompositter som fotokatalysatorer, men resultaterne viste, at disse materialer havde lave elektronoverførselsniveauer, hvilket førte til lav effektivitet.

I den nye undersøgelse, forskerne brugte grafen alene som fotokatalysator, som de derefter koblede til et porfyrinenzym. Forskerne viste, at dette materiale kunne omdanne sollys og kuldioxid til myresyre, et kemikalie, der bruges i plastindustrien og som brændstof i brændselsceller. Tests viste, at den grafenbaserede fotokatalysator er yderst funktionel i det synlige lys, og at dens samlede effektivitet er væsentligt højere end effektiviteten af ​​andre fotokatalysatorer.

"Det fotokatalysator-enzym koblede system er et af de mest ideelle kunstige fotosyntesesystemer, der udnytter solenergi til syntese af forskellige kemikalier og brændstof, ” fortalte medforfatter Jin-Ook Baeg ved Korea Research Institute of Chemical Technology Phys.org . "Til praktisk brug af foto-bioreaktor kunstig fotosynteseproces, en af ​​de mest udfordrende opgaver er søgen efter et meget effektivt synligt lys aktivt materiale, der fungerer som fotokatalysator i NADH regenereringssystemet og udløser enzymatisk produktion af solkemikalier/solbrændsel fra CO ₂ . Som et skridt mod dette mål, vi rapporterer syntesen af ​​et nyt grafen-baseret synligt lys aktivt materiale som en fotokatalysator af foto-bioreaktorsystemet til en effektiv kunstig fotosyntetisk produktion af myresyre fra CO ₂ ."

For at forstå oprindelsen af ​​den forbedrede fotokatalytiske aktivitet, forskerne undersøgte fotokatalysatoren ved hjælp af spektroskopi, termisk analyse, og mikroskopiteknikker. De fandt ud af, at materialet har gode elektronoverførselsevner, og grafens store overfladeareal hjælper med at accelerere de kemiske reaktioner i omdannelsesprocessen.

Evnen til at producere solbrændstof direkte fra CO ₂ har applikationer ikke kun til brændselsceller og plastik, men også i medicinalindustrien.

"Som en af ​​de stærke praktiske fordele ved systemet, den kan også bruges til produktion af skræddersyede finkemikalier ved hjælp af solenergi, " sagde Baeg. "For eksempel, chirale 2-amino-1-arylethanol-derivater er et meget vigtigt mellemprodukt af mange slags meget dyre chirale lægemidler. Det kan nemt syntetiseres af vores fotokatalysator-enzym-koblede kunstige fotosyntesesystem ved blot at bruge solenergi. Vi er i øjeblikket i gang med forskningen for at udvikle det fotokatalysator-enzym-koblede kunstige fotosyntesesystem til skræddersyede chirale solkemikalier. Resultaterne vil blive offentliggjort i den nærmeste fremtid. Derfor, dette papir viser ikke kun et benchmark-eksempel på det grafenbaserede materiale, der bruges som fotokatalysator i generel kunstig fotosyntese, men også benchmark-eksemplet på det selektive produktionssystem af solkemikalier/solbrændsel direkte fra CO ₂ ."

Copyright 2012 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.