Forskere rapporterer første fuldt integrerede kunstige fotosyntese nanosystem

(Phys.org) - I kølvandet på den nøgterne nyhed om, at atmosfærisk kuldioxid nu er på sit højeste niveau i mindst tre millioner år, et vigtigt fremskridt i løbet af udviklingen af ​​kulstofneutrale vedvarende energikilder er opnået. Forskere fra US Department of Energy (DOE) s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har rapporteret det første fuldt integrerede nanosystem til kunstig fotosyntese. Mens "kunstigt blad" er det populære udtryk for et sådant system, nøglen til denne succes var en "kunstig skov".

"Ligesom kloroplaster i grønne planter, der udfører fotosyntese, vores kunstige fotosyntetiske system består af to halvleder lysdæmpere, et grænsefladelag til ladningstransport og rumligt adskilte co-katalysatorer, "siger Peidong Yang, en kemiker med Berkeley Labs Materials Sciences Division, der ledede denne forskning. "For at lette opdeling af solvand i vores system, vi syntetiserede trælignende nanotråd heterostrukturer, bestående af siliciumstammer og forgreninger af titaniumoxid. Visuelt, arrays af disse nanostrukturer ligner meget en kunstig skov. "

Yang, der også har aftaler med University of California Berkeleys kemiafdeling og afdeling for materialevidenskab og teknik, er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver denne forskning i tidsskriftet Nano bogstaver . Papiret har titlen "A Fully Integrated Nanosystem of Semiconductor Nanowires for Direct Solar Water Splitting." Medforfattere er Chong Liu, Jinyao Tang, Hao Ming Chen og Bin Liu.

Solteknologier er de ideelle løsninger til kulstofneutral vedvarende energi-der er nok energi i en times globalt sollys til at opfylde alle menneskelige behov i et år. Kunstig fotosyntese, hvor solenergi omdannes direkte til kemiske brændstoffer, betragtes som en af ​​de mest lovende af solteknologier. En stor udfordring for kunstig fotosyntese er at producere brint billigt nok til at konkurrere med fossile brændstoffer. At opfylde denne udfordring kræver et integreret system, der effektivt kan absorbere sollys og producere ladningsbærere til at drive separate vandreduktion og oxidationshalvreaktioner.

"Ved naturlig fotosyntese producerer energi fra absorberet sollys energiladede bærere, der udfører kemiske reaktioner i separate områder af kloroplasten, "Yang siger." Vi har integreret vores nanotråds nanoskala heterostruktur i et funktionelt system, der efterligner integrationen i kloroplaster og giver en konceptuel plan for bedre sol-til-brændstof-konverteringseffektivitet i fremtiden. "

Når sollys absorberes af pigmentmolekyler i en kloroplast, en elektrisk elektron genereres, der bevæger sig fra molekyle til molekyle gennem en transportkæde, indtil den i sidste ende driver omdannelsen af ​​kuldioxid til kulhydratsukker. Denne elektrontransportkæde kaldes et "Z-skema", fordi bevægelsesmønsteret ligner bogstavet Z på siden. Yang og hans kolleger bruger også et Z-skema i deres system, kun de implementerer to rigelige og stabile halvledere på jorden-silicium og titaniumoxid-fyldt med co-katalysatorer og med en ohmsk kontakt indsat mellem dem. Silicium blev brugt til den hydrogengenererende fotokatode og titaniumoxid til den oxygenfrembringende fotoanode. Den trælignende arkitektur blev brugt til at maksimere systemets ydeevne. Som træer i en rigtig skov, de tætte arrays af kunstige nanotrådtræer undertrykker sollysrefleksion og giver mere overfladeareal til brændstofproducerende reaktioner.

"Ved belysning genereres foto-eksiterede elektronhulspar i silicium og titaniumoxid, som absorberer forskellige områder af solspektret, "Yang siger." De fotogenererede elektroner i silicium-nanotråde vandrer til overfladen og reducerer protoner til at generere brint, mens de fotogenererede huller i titanoxid-nanotråde oxiderer vand for at udvikle iltmolekyler. Flertallet oplader bærere fra begge halvledere rekombinerer ved den ohmiske kontakt, færdiggørelse af relæet for Z-skemaet, ligner den for naturlig fotosyntese. "

Under simuleret sollys, dette integrerede nanotrådbaserede kunstige fotosyntesesystem opnåede en 0,12 procent sol-til-brændstof-konverteringseffektivitet. Selvom det kan sammenlignes med nogle naturlige fotosyntetiske konverteringseffektiviteter, denne sats skal forbedres væsentligt til kommerciel brug. Imidlertid, det modulære design af dette system giver mulighed for let at indarbejde nyopdagede individuelle komponenter for at forbedre dets ydeevne. For eksempel, Yang bemærker, at fotostrømningsoutput fra systemets siliciumkatoder og titanoxidanoder ikke matcher, og at den lavere fotostrømudgang fra anoderne begrænser systemets samlede ydelse.

"Vi har nogle gode ideer til at udvikle stabile fotoanoder med bedre ydeevne end titaniumoxid, "Yang siger." Vi er overbeviste om, at vi vil være i stand til at erstatte titaniumoxidanoder i den nærmeste fremtid og skubbe energiomsætningseffektiviteten op i enkeltcifrede procenter. "