En kerne-skal nanorør array til kunstig fotosyntese

Det gennemsnitlige globale energiforbrug for transportbrændstoffer er i øjeblikket flere terawatt (1 terawatt =10 ¹² Joule) i sekundet. Et stort videnskabeligt hul for at udvikle en teknologi til solbrændstoffer, der kan erstatte fossile ressourcer med vedvarende energikilder, er skalerbarhed på et hidtil uset terawatts -niveau. Faktisk, den eneste eksisterende teknologi til fremstilling af kemiske forbindelser på terawatt-skalaen er naturlig fotosyntese.

De to reaktioner, der er nødvendige for at fuldføre fotosyntesecyklussen - CO2-reduktion og H2O-oxidation - finder sted i uforenelige miljøer, så de skal være fysisk adskilt af en barriere. Men, for at processen bliver effektiv, afstanden mellem de to skal være så kort som muligt - på nanometerskalaen. Naturlige fotosyntesesystemer gør dette meget godt, men det giver en teknisk udfordring for at fremstille kunstige fotosystemer baseret på dette design, forklarede Heinz Frei, en seniorforsker i Biosciences' Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB) Division.

Frei samarbejdede med Eran Edri, en tidligere postdoktor i MBIB nu på Ben-Gurion University, og Shaul Aloni på Molecular Foundry, en DOE Office of Science brugerfacilitet. De udviklede en fremstillingsmetode til at lave et kunstigt fotosystem i kvadrattomme størrelse, i form af en uorganisk kerne-skal nanorør array, der implementerer dette designprincip for første gang. "Denne præstation er muliggjort af den unikke synergi mellem biofysiske, kemisk, og MBIBs nanomaterialeekspertise, dermed bidrage til divisionens videnskabelige fremskridt hen imod at løse en stor national udfordring inden for energi, " sagde Frei.

Metoden, beskrevet i et papir udgivet tidligere på året i ACS Nano , anvender et siliciumstangarray som skabelon i kombination med atomlagsaflejring og kryoætsningsteknikker for at give kontrol over komponenternes karakteristiske længdeskalaer over otte størrelsesordener. Mens arrayet er fremstillet på makroskala, diameteren af ​​de enkelte rør er et par hundrede nanometer og vægtykkelsen et par tiere af nanometer.

De indvendige overflader af koboltoxidnanorørene udgør det katalytiske sted for H2O-oxidation, som er adskilt fra lysabsorberen og steder med CO2-reduktion på ydersiden af ​​et ultratyndt tætfaset silicalag. Sidstnævnte fungerer som en protonledende, O2-impermeabel membran. Noget overraskende var opdagelsen af, at trods tilsyneladende uforenelige synteseforhold, det var faktisk muligt at samle en solid oxid-baseret nanoskalakonstruktion med indlejrede "bløde" organiske molekylære ledninger til elektronledning og ende med alle komponenter intakte, bemærkede Frei.

Nanorør-arrayet giver grundlag for udviklingen af ​​skalerbare konstruerede solbrændstofsystemer, der er egnede til udbredelse på rigelige, ikke-agerjord.