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Posted in | Nanomaterials | Nanoenergy

Berkeley-LaborForscher Stellen Nano--Groß Photocatalyst für Künstliche Fotosynthese her

Published on March 10, 2009 at 6:57 PM

Für Millionen Jahre, haben Grünpflanzen Fotosynthese eingesetzt, um Energie vom Sonnenlicht zu erfassen und sie in elektrochemische Energie zu konvertieren. Ein Ziel von Wissenschaftlern ist, eine künstliche Version der Fotosynthese zu entwickeln gewesen, die verwendet werden kann, um Flüssigbrennstoffe aus Kohlendioxyd und Wasser zu produzieren. Forscher mit der US-Abteilung von Nationalem Laboratorium des Lawrence Berkeley der Energie (Berkeley-Labor) haben jetzt einen entscheidenden Schritt hin zu diesem Ziel mit der Entdeckung unternommen, dass Nano--groß Kristalle des Kobaltoxids die kritische fotosynthetische Reaktion von Verbindungsaufspaltungswassermolekülen effektiv durchführen können.

Unter dem Kraftstoff durch künstliches Fotosyntheseszenario, würden geben würden die nanotubes, die innerhalb einer Membran eingebettet wurden, wie grüne Blätter, unter Verwendung der Solareinstrahlung (Hã) wirken zum von Wassermolekülen (H2O) aufzuspalten und herauf die Elektronen und Sauerstoff frei (O2), die dann mit Kohlendioxyd (CO2) reagieren um einen Kraftstoff zu produzieren, hier gezeigt als Methanol (CH3OH). Das Ergebnis ist eine auswechselbare grüne Energiequelle, der auch Hilfen die Atmosphäre des übermäßigen Kohlendioxyds vom Burning von Fossilienbrennstoffen scheuern. (Abbildung durch Flavio Robles, Berkeley-LaborÖffentliche Angelegenheiten)

„Fotooxydierung von Wassermolekülen in Sauerstoff, ist Elektronen und Protone (Wasserstoffionen) eine der zwei wesentlichen halben Reaktionen einer künstlichen Fotosyntheseanlage - sie liefert die Elektronen, die benötigt werden, um Kohlendioxyd auf einem Kraftstoff zu verringern,“ sagte Heinz Frei, ein Chemiker mit Körperlicher die Biowissenschafts-Abteilung Berkeley-Labors, die diese Forschung mit seinem promovierten wissenschaftlichem Mitarbeiter Feng Jiao leitete. „Effektive Fotooxydierung benötigt einen Katalysator, der effizient in seinem Gebrauch der Solarphotonen und genug, mit Solarmagnetfeld aufrechtzuerhalten, um jene Photonen zu vergeuden, zu vermeiden schnell ist. Cluster von Kobaltoxid nanocrystals sind genug effizient und schnell, und sind auch robust (letzt eine lange Zeit) reichlich und. Sie befestigten tadellos die Rechnung.“

Frei und Jiao haben die Ergebnisse ihrer Studie im Zapfen Angewandte Chemie gemeldet, in einem betitelten Papier: „Nanostructured-Kobalt-Oxid Bündelt in Mesoporous-Silikon als Effiziente Sauerstoff-Entwickelnde Katalysatoren.“ Diese Forschung wurde durch das HELIOS-Solarenergie-Forschungszentrum (HELIOS SERC), ein wissenschaftliches Programm an Berkeley-Labor unter Leitung Pauls Alivisatos durchgeführt, der Kraftstoffe vom Sonnenlicht entwickelnd angestrebt wird. Frei-Aufschläge als stellvertretender Direktor von HELIOS SERC.

Künstliche Fotosynthese für die Produktion von Flüssigbrennstoffen bietet das Versprechen von einem auswechselbaren an und die Kohlenstoff-neutrale Quelle von Transportenergie, es bedeutend würde nicht zur globalen dieser Erwärmung Ergebnisse vom Burning des Schmieröls und der Kohle beitragen. Die Idee ist, nach dem Prozess zu verbessern, der Grünpflanzen und bestimmte Bakterien lang-gedient hat, indem es in leicht-erntende Anlagen einer einzelnen Plattform integrierte, die Solarphotonen und katalytische Anlagen erfassen können, die wasser- ein künstliches Blatt das heißt, oxidieren können.

„, die Flexibilität und die Präzision zu nutzen, durch die Lichtabsorption, Ladungstransport und katalytische Eigenschaften durch getrennte anorganische Molekülstrukturen gesteuert werden können, haben wir mit mehrkernigen Metalloxid nanoclusters im Silikon gearbeitet,“ sagte Frei. „In der früheren Arbeit, fanden wir, dass Iridiumoxid effizient und genug schnell war, die Arbeit zu erledigen, aber Iridium ist für Gebrauch auf einem sehr großen Umfang das wenige reichliche Metall auf Erde und das nicht geeignet. Wir benötigten ein Metall, das war gleichmäßig effektiv aber weit reichlicher.“

Grünpflanzen führen die Fotooxydierung von Wassermolekülen innerhalb eines Komplexes von den Proteinen durch, die Fotosystem II angerufen werden, in denen, Enzyme Mangan-enthalten, als der Katalysator dienen Sie. die Mangan-Basierten organometallischen Komplexe, die weg von Fotosystem II geformt werden, haben irgendein Versprechen als Photocatalysts für Wasseroxidation gezeigt, aber einige leiden unter Sein wasserunlöslich und keine sind sehr robust. Wenn nach lediglich anorganische Katalysatoren, die sich im Wasser auflösen würden und würden sein weit robuster als die biomimetic Materialien, Frei und Jiao, die zum Kobaltoxid gedreht wurden, ein in hohem Grade reichliches Material gesucht werden, das ein wichtiger industrieller Katalysator ist. Als Frei und Jiao Mikron-groß Partikel des Kobaltoxids prüften, fanden sie, dass die Partikel und nicht fast schnell genug ineffizient waren, als Photocatalysts zu dienen. Jedoch als sie Nano--groß die Partikel es eine andere Geschichte waren.

„Der Ertrag für Cluster von Nano--groß Kristallen des Kobaltoxids (Co3O4) war ungefähr 1.600mal höher, als für Mikron-groß Partikel,“ sagte Frei, „und die Umsatzfrequenz (Drehzahl) waren ungefähr 1.140 Sauerstoffmoleküle pro Sekunde pro Cluster, der ist angemessen mit Solarmagnetfeld an der Bodenhöhe (ungefähr 1.000 Watt pro Quadratmeter).“

Frei und Jiao verwendeten mesoporous Silikon als ihr Gestell und wuchsen ihre Kobalt nanocrystals innerhalb der natürlich parallelen nanoscale Kanäle des Silikons über eine Technik, die bekannt ist als „nasse Imprägnierung.“ Die besten Ausführenden waren die Gestänge-förmigen Kristalle, die 8 nm im Durchmesser messen und 50 nm in der Länge, die durch kurze Brücken untereinander verbunden wurden, um sich zu bilden, rollten Cluster zusammen. Die Bündel waren wie eine Kugel mit einem Durchmesser von 35 nm geformt. Während die katalytische Leistungsfähigkeit des Kobaltmetalls selbst wichtig war, sagte Frei, dass der bedeutende Faktor hinter der erhöhten Leistungsfähigkeit und der Drehzahl der Bündel ihre Größe war.

„Wir vermuten, dass der verhältnismässig sehr große interne Bereich dieser 35 nmbündel (wo Katalyse stattfindet), der Hauptfaktor hinter ihrer erhöhten Leistungsfähigkeit war,“ ihn sagten, „, weil, als wir größere Bündel (65 nmdurchmesser) produzierten, der interne Bereich verringert wurde und die Bündel verloren viel dieser Leistungsfähigkeits-Verstärkung.“

Frei und Jiao werden weitere Studien leiten, um zu gewinnen ein besseres Verständnis von, warum ihre nanocrystal Cluster des Kobaltoxids solche effizienten und Hochgeschwindigkeitsphotocatalysts und auch schauen in andere Metalloxidkatalysatoren sind. Der folgende große Schritt jedoch ist, die halbe Reaktion der Wasseroxidation mit dem Kohlendioxyd-Reduzierungsschritt in einem künstlichen Blattbaumuster Anlage zu integrieren.

„Die Leistungsfähigkeit, die Drehzahl und die Größe unserer nanocrystal Cluster des Kobaltoxids sind mit Fotosystem II vergleichbar,“ sagte Frei. „Wenn Sie im Überfluss am Kobaltoxid, die Stabilität der nanoclusters unter Gebrauch, der bescheidene overpotential und milder pH und Temperaturbedingungen in Faktoren zerlegen, glauben wir, dass wir ein viel versprechendes katalytisches Bauteil für das Entwickeln einer lebensfähigen integrierten Solarkraftstoffumwandlungsanlage haben. Dieses ist die folgende wichtige Herausforderung auf dem Gebiet der künstlichen Fotosynthese für Kraftstoffproduktion.“

Das HELIOS-Solarenergie-Forschungszentrum wird vom Direktor, Büro der Wissenschaft, Büro von Grundlegenden Energie-Wissenschaften des US-Energieministeriums unterstützt.

Last Update: 14. January 2012 10:34

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