En nanosiseret brintgenerator

(Phys.org) —Forskere ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har skabt en "hydrogengenerator" i lille skala, der bruger lys og en todimensionel grafenplatform til at øge produktionen af ​​det svært at lave element.

Forskningen afslørede også en tidligere ukendt egenskab af grafen. Den todimensionale kæde af carbonatomer giver og modtager ikke kun elektroner, men kan også overføre dem til et andet stof.

Brint er stort set overalt på planeten, men elementet er typisk bundet til andre grundstoffer og skal adskilles fra ilt i H2O for at producere frit hydrogen. Den kommercielle separationsproces bruger naturgas til at reagere med overophedet damp til at fjerne hydrogenatomer, der producerer brintbrændstof, men også kuldioxid - et drivhusgas biprodukt, der slipper ud i atmosfæren.

Argonnes tidlige generator, sammensat af mange små forsamlinger, er bevis på, at brint kan produceres uden at forbrænde fossile brændstoffer. Skalaen er lille, lidt mindre end edderkoppesilkens diameter. Skalering af denne forskning i fremtiden kan betyde, at du kan erstatte gassen i dine biler og generatorer med brint - en grønnere mulighed, fordi brændende brintbrændstof kun udsender vanddamp.

"Mange forskere søger uorganiske materialer til nye energikilder, "sagde Elena Rozhkova, kemiker ved Argonnes Center for nanoskala materialer, en DOE Office of Science (Office of Basic Energy Sciences) brugerfacilitet. "Vores mål er at lære af den naturlige verden og bruge dens materialer som byggesten til innovation."

For Rozhkova, denne særlige byggesten er inspireret af funktionen af ​​et gammelt protein, der vides at gøre lys til energi. Forskere har længe vidst, at nogle encellede organismer bruger et protein kaldet bacteriorhodopsin (bR) til at absorbere sollys og pumpe protoner gennem en membran, skaber en form for kemisk energi. De ved også, at vand kan opdeles i ilt og brint ved at kombinere disse proteiner med titandioxid og platin og derefter udsætte dem for ultraviolet lys.

Der er kun en ulempe:titandioxid reagerer kun i nærvær af ultraviolet lys, hvilket udgør blot fire procent af det samlede solspektrum. Hvis forskerne ønskede at drive deres generatorer med sollys, det skal de forbedre.

For at producere større mængder hydrogen ved hjælp af synligt lys, forskerne ledte efter et nyt materiale. Det nye materiale ville have brug for nok overfladeareal til at flytte elektroner hurtigt og jævnt over og øge den samlede elektronoverførselseffektivitet. Forskerne havde også brug for en platform, hvor biologiske komponenter, ligesom bR, kunne overleve og forbinde med titandioxidkatalysatoren:kort sagt et materiale som grafen.

Graphene er en super stærk, super let, nær helt gennemsigtig plade af carbonatomer og en af ​​de bedste ledere af elektricitet, der nogensinde er fundet. Graphene skylder sine fantastiske egenskaber ved at være todimensionale.

"Graphene har ikke kun alle disse fantastiske egenskaber, men det er også ultratyndt og biologisk inert, "sagde Rozhkova." Dens tilstedeværelse tillod de andre komponenter at samle sig selv omkring det, som helt ændrer hvordan elektronerne bevæger sig i hele vores system. "

Rozhkovas mini-hydrogengenerator fungerer således:Både bR-proteinet og grafenplatformen absorberer synligt lys. Elektroner fra denne reaktion overføres til titandioxid, hvorpå disse to materialer er forankret, gør titandioxid følsom over for synligt lys.

Samtidigt, lys fra den grønne ende af solspektret udløser bR -proteinet for at begynde at pumpe protoner langs dets membran. Disse protoner kommer til platin -nanopartikler, der sidder oven på titandioxid. Hydrogen dannes ved samspillet mellem protoner og elektroner, når de konvergerer på platin.

Undersøgelser ved hjælp af en teknik kaldet Electron Paramagnetic Resonance (EPR) og tidsopløst spektroskopi ved Center for Nanoskala materialer verificerede elektronernes bevægelser i systemet, mens elektrokemiske undersøgelser bekræftede, at protonerne blev overført. Test afslørede også en ny finurlighed af grafenadfærd.

"Størstedelen af ​​forskningen derude siger, at grafen hovedsageligt leder og accepterer elektroner, "sagde Argonne postdoktorforsker Peng Wang." Vores udforskning ved hjælp af EPR gav os mulighed for at bevise, eksperimentelt, at grafen også injicerer elektroner i andre materialer. "

Rozhkovas brintgenerator viser, at nanoteknologi, fusioneret med biologi, kan skabe nye kilder til ren energi. Hendes teams opdagelse kan give fremtidige forbrugere et biologisk inspireret alternativ til benzin.

"Det er de typer opdagelser, vi kan gøre ved Argonne, "sagde Rozhkova." Arbejder inden for de grundlæggende energividenskaber, vi var i stand til at demonstrere et energirigt biologisk inspireret alternativ til gas. "

Denne forskning, "Fotoinducerede elektronoverførselsveje i hydrogenudviklende reduceret grafenoxidforstærket hybrid nano-biokatalysator, "dukkede op i 7. juli -udgaven af ACS Nano .