Posted in | Nanomaterials | Nanoenergy

Berkeley Lab Forskere Opret nano-størrelse fotokatalysator for kunstig fotosyntese

Published on March 10, 2009 at 6:57 PM

For millioner af år, har grønne planter ansat fotosyntesen at fange energi fra sollys og omdanne det til elektrokemisk energi. Et mål af videnskabsfolk har været at udvikle en kunstig udgave af fotosyntesen, som kan anvendes til at producere flydende brændstoffer fra kuldioxid og vand. Forskere med det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har nu taget et afgørende skridt i retning af dette mål med den opdagelse, at nano-størrelse krystaller af kobolt oxid faktisk kan udføre den kritiske fotosyntetiske reaktion spalte vand molekyler.

Under det brændstof gennem kunstig fotosyntese scenario, ville nanorør indlejret i en membran fungerer som grønne blade, ved hjælp af hændelsen solstråling (HA) til at spalte vand molekyler (H2O), frigør elektroner og ilt (O2), der derefter reagerer med kuldioxid (CO2 ) til at producere et brændstof, som er vist her som methanol (CH3OH). Resultatet er en vedvarende grøn energikilde, som også hjælper krat atmosfæren for store kuldioxid fra afbrænding af fossile brændstoffer. (Illustration af Flavio Robles, Berkeley Lab Public Affairs)

"Photooxidation af vandmolekyler i ilt, elektroner og protoner (brint-ioner) er en af ​​de to væsentlige halv reaktioner en kunstig fotosyntese system - det giver elektronerne nødvendig for at reducere kuldioxid til brændstof," siger Heinz Frei, en kemiker med Berkeley Labs Fysisk Biosciences Division, der gennemførte denne forskning med sin post.doc Feng Jiao. "Effektiv photooxidation kræver en katalysator, der både er effektiv i sin brug af solenergi fotoner og hurtige nok til at holde op med sol flux for at undgå at spilde disse fotoner. Klynger af kobolt oxid nanokrystaller er tilstrækkeligt effektive og hurtige, og de er også robust (sidste i lang tid) og rigelige. De passer perfekt regningen. "

Frei og Jiao har rapporteret resultaterne af deres undersøgelse i tidsskriftet Angewandte Chemie, i et papir med titlen: "Nanostrukturerede Cobalt Oxide Clusters i mesoporøse Silica så effektivt iltudviklende katalysatorer." Denne forskning blev udført gennem Helios Solar Energy Research Center (Helios SERC), et videnskabeligt program i Berkeley Lab under ledelse af Paul Alivisatos, som tager sigte på at udvikle brændstoffer fra sollys. Frei tjener som vicedirektør for Helios SERC.

Kunstig fotosyntese til fremstilling af flydende brændstof tilbyder løfte om en vedvarende og CO-neutral kilde til transport energi, hvilket betyder at det ikke vil bidrage til den globale opvarmning, at resultaterne fra afbrænding af olie og kul. Ideen er at forbedre på den proces, der har lang tjent grønne planter og visse bakterier ved at integrere i en enkelt platform lys høst systemer, der kan indfange solenergi fotoner og katalytiske systemer, der kan oxidere vand - med andre ord, en kunstig blad.

"At drage fordel af den fleksibilitet og præcision, hvormed lys absorption, oplade transport og katalytiske egenskaber kan styres af diskrete uorganiske molekylære strukturer, har vi arbejdet med polycykliske metaloxid nanoclusters i silica," Frei sagt. "I tidligere arbejde, fandt vi, at Iridium oxid var effektiv og hurtig nok til at gøre arbejdet, men iridium er det mindst rigelige metal på jorden og ikke egnet til brug på en meget stor skala. Vi havde brug for et metal, som var lige så effektivt, men langt mere rigt. "

Grønne planter udføre photooxidation af vandmolekyler i et kompleks af proteiner kaldet fotosystem II, hvor mangan-holdige enzymer fungere som katalysator. Mangan-baserede metalorganiske komplekser modelleret ud fotosystem II har vist en vis løfte som photocatalysts for vand oxidation men nogle lider er vand uopløselige og ingen er meget robust. På udkig efter rent uorganiske katalysatorer, der ville opløses i vand og vil være langt mere robuste end biomimetiske materialer, vendte Frei og Jiao til kobolt oxid, en meget rigelige materiale, som er en en vigtig industri-katalysator. Når Frei og Jiao testet micron mellemstore partikler af kobolt oxid, fandt de partikler blev ineffektive og ikke nær hurtigt nok til at tjene som photocatalysts. Men når de nano-størrelse partikler var det en anden historie.

"Udbyttet for klynger af kobolt oxid (Co3O4) nano-størrelse krystaller var omkring 1.600 gange højere end for micron mellemstore partikler," sagde Frei ", og omsætningen frekvens (hastighed) var omkring 1.140 ilt molekyler per sekund per klynge, hvilket står i rimeligt forhold solvinden ved jordoverfladen (ca. 1.000 watt per kvadratmeter). "

Frei og Jiao brugt mesoporøse silica som deres stillads, vokser deres kobolt nanokrystaller i naturligt parallelle nanoskala kanaler af silica via en teknik kendt som "våd imprægnering." De bedste resultater blev stavformet krystaller på 8 nanometer i diameter og 50 nanometer i længde, som var forbundet med korte broer til at danne bundtede klynger. Bundterne var formet som en kugle med en diameter på 35 nanometer. Mens den katalytiske effektivitet kobolt metal i sig selv var vigtigt, Frei sagde den vigtigste faktor bag den øgede effektivitet og hastighed af bundterne var deres størrelse.

"Vi har mistanke om, at den relativt meget store indvendige areal af disse 35 nanometer bundter (hvor katalyse finder sted) var den væsentligste faktor bag deres øgede effektivitet," sagde han, "fordi når vi produceret større bundter (65 nanometer diametre), det indvendige areal blev reduceret, og bundter mistet meget af, at effektivitet vinde. "

Frei og Jiao skal foretage yderligere undersøgelser for at få en bedre forståelse af, hvorfor deres kobolt oxid nanocrystal klynger er så effektive og højhastigheds-photocatalysts og ser også i andre metaloxid katalysatorer. Det næste store skridt, vil dog være at integrere vandet oxidation halv reaktion med reduktion af kuldioxid skridt i en kunstig blad type system.

"Den effektivitet, hurtighed og størrelsen på vores kobolt oxid nanocrystal klynger er sammenlignelige med fotosystem II," sagde Frei. "Når du faktor i overflod af kobolt oxid, stabiliteten i nanoclusters under brug, det beskedne overpotential og mild pH og temperaturforhold, vi tror vi har en lovende katalysator komponent for udviklingen af ​​en levedygtig integreret sol brændstof konvertering system. Dette er den næste vigtige udfordring i forbindelse med kunstig fotosyntese til brændstof produktion. "

Den Helios Solar Energy Research Center er støttet af direktøren, Office of Science, Office of Basic Energi Videnskaber i det amerikanske Department of Energy.

Last Update: 3. October 2011 12:03

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit