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Posted in | Nanomaterials | Nanoenergy

Les Chercheurs de Laboratoire de Berkeley Produisent le Photocatalyst De taille d'une nano pour la Photosynthèse Artificielle

Published on March 10, 2009 at 6:57 PM

Pour des millions d'années, les plantes vertes ont utilisé la photosynthèse pour capturer l'énergie de la lumière solaire et pour la convertir en énergie électrochimique. Un objectif des scientifiques a été de développer une version artificielle de la photosynthèse qui peut être employée pour produire les combustibles liquides à partir du dioxyde de carbone et de l'eau. Les Chercheurs avec le Ministère De L'énergie des États-Unis le Laboratoire National de Lawrence Berkeley (Laboratoire de Berkeley) ont maintenant pris une mesure critique vers cet objectif avec la découverte que les cristaux de taille d'une nano de l'oxyde de cobalt peuvent effectivement effectuer la réaction photosynthétique critique des molécules d'eau se divisantes.

Sous l'essence par le scénario artificiel de photosynthèse, les nanotubes encastrés dans une membrane agiraient comme les lames vertes, utilisant le rayonnement solaire d'incident (Hã) pour diviser les molécules d'eau (H2O), libérant vers le haut des électrons et de l'oxygène (O2) qui réagissent alors avec du dioxyde de carbone (CO2) pour produire une essence, affichés ici comme méthylène (CH3OH). Le résultat est une source d'énergie verte renouvelable qu'également les aides frottent l'ambiance de dioxyde de carbone excessif du burning des combustibles fossiles. (Illustration par Flavio Robles, Affaires Publiques de Laboratoire de Berkeley)

« Photo-oxydation des molécules d'eau dans l'oxygène, les électrons et les protons (ions d'hydrogène) est l'une des deux demi réactions essentielles d'un système artificiel de photosynthèse - il fournit les électrons requis pour ramener le dioxyde de carbone à une essence, » a dit Heinz Frei, un pharmacien avec la Division Matérielle des Biosciences du Laboratoire de Berkeley, qui a conduit cette recherche avec son boursier post-doctoral Feng Jiao. « La photo-oxydation Pertinente exige un catalyseur qui est efficace dans son utilisation des photons solaires et assez rapide de suivre le flux solaire afin d'éviter de gaspiller ces photons. Les Batteries des nanocrystals d'oxyde de cobalt sont suffisamment efficaces et rapides, et sont également robustes (dernier un long temps) et abondantes. Elles ont parfaitement répondu au besoin. »

Frei et Jiao ont enregistré les résultats de leur étude dans le tourillon Angewandte Chemie, dans un papier autorisé : « L'Oxyde de Cobalt de Nanostructured Groupe en Silice de Mesoporous en tant que Catalyseurs Oxygène-En évolution Efficaces. » Cette recherche a été exécutée par le Centre de Recherche À énergie solaire d'Hélios (Hélios SERC), un programme scientifique au Laboratoire de Berkeley sous le sens de Paul Alivisatos, qui est visé développant des essences de lumière solaire. Frei sert de directeur adjoint d'Hélios SERC.

La photosynthèse Artificielle pour la production des combustibles liquides offre la promesse d'un renouvelable et la source carbone-neutre d'énergie de transport, le signifiant ne contribuerait pas au réchauffement global ce des résultats du burning de pétrole et de charbon. L'idée est de s'améliorer sur le procédé qui long-a servi les plantes vertes et certaines bactéries en intégrant dans les systèmes de lumière-moisson d'une plate-forme unique qui peuvent capturer les photons solaires et les systèmes catalytiques qui peuvent oxyder l'eau - en d'autres termes, une lame artificielle.

« Pour tirer profit de la souplesse et de la précision par lesquelles l'absorption de la lumière, le transport de charge et les propriétés catalytiques peuvent être réglés par les structures moléculaires minérales discrètes, nous avions travaillé avec des nanoclusters polynucléaires d'oxyde de métal en silice, » Frei a dit. « Dans les premiers travaux, nous avons constaté que l'oxyde d'iridium était efficace et assez rapide pour réaliser le travail, mais l'iridium est le moins métal abondant sur terre et non adapté pour l'usage sur très une large échelle. Nous avons eu besoin d'un métal qui était également pertinent mais bien plus abondant. »

Les plantes Vertes exécutent la photo-oxydation des molécules d'eau dans un composé des protéines Photosystem appelé II, dans lequel manganèse-en contenant des enzymes servez de catalyseur. les composés organométalliques Manganèse-Basés modélisés hors du Photosystème II ont affiché une certaine promesse comme photocatalysts pour l'oxydation de l'eau mais certains souffrent d'être insolubles dans l'eau et aucun n'est très robuste. En recherchant les catalyseurs purement minéraux qui dissoudraient dans l'eau et seraient bien plus robustes que les matériaux biomimetic, le Frei et le Jiao tournés à l'oxyde de cobalt, un matériau hautement abondant qui est un catalyseur industriel important. Quand Frei et Jiao ont testé les particules de taille d'un micron de l'oxyde de cobalt, ils ont trouvé que les particules étaient inefficaces et pas presque assez rapide pour servir de photocatalysts. Cependant, quand ils de taille d'une nano les particules il étaient une autre histoire.

« Le rendement pour des batteries des cristaux de taille d'une nano de l'oxyde de cobalt (Co3O4) était environ 1.600 fois plus haut que pour les particules de taille d'un micron, » a dit Frei, « et la fréquence de rotation (vitesse) étaient environ 1.140 molécules de l'oxygène par seconde selon la batterie, qui est proportionnée au flux solaire au niveau du sol (approximativement 1.000 Watts par mètre carré). »

Frei et Jiao ont utilisé la silice mesoporous en tant que leur échafaudage, élevant leurs nanocrystals de cobalt dans les tunnels naturellement parallèles de nanoscale de la silice par l'intermédiaire d'une technique connue sous le nom de « imprégnation mouillée. » Les meilleurs interprètes étaient les cristaux en forme de tige mesurant 8 nanomètres de diamètre et 50 nanomètres de longueur, qui ont été interconnectés par les passerelles courtes pour former ont empaqueté des batteries. Les paquets ont été formés comme une sphère avec un diamètre de 35 nanomètres. Tandis Que l'efficience catalytique du métal de cobalt elle-même était importante, Frei a dit que le facteur principal derrière l'efficience et la vitesse améliorées des paquets était leur taille.

« Nous le soupçonnons que la superficie interne comparativement très grande de ces 35 paquets de nanomètre (où la catalyse a lieu) ait été le facteur principal derrière leur performance accrue, » avons dit, « parce que quand nous avons produit de plus grands paquets (65 diamètres de nanomètre), la zone interne était réduite et les paquets avons détruit beaucoup de ce gain d'efficience. »

Frei et Jiao entreprendront d'autres études pour gagner une meilleure compréhension de pourquoi leurs batteries nanocrystal d'oxyde de cobalt sont de tels photocatalysts efficaces et ultra-rapides et également examen dans d'autres catalyseurs d'oxyde de métal. La prochaine étape importante, cependant, sera d'intégrer réaction d'oxydation de l'eau la demi à la phase de réduction de dioxyde de carbone dans un type artificiel système de lame.

« L'efficience, la vitesse et la taille de nos batteries nanocrystal d'oxyde de cobalt sont comparables au Photosystème II, » a dit Frei. « Quand vous factorisez dans l'abondance de l'oxyde de cobalt, la stabilité des nanoclusters sous l'utilisation, le pH overpotential et modéré modeste et des états de température, nous croyons que nous avons un composant catalytique prometteur pour développer un système de conversion solaire intégré viable d'essence. C'est le prochain défi important dans le domaine de la photosynthèse artificielle pour la production d'essence. »

Le Centre de Recherche À énergie solaire d'Hélios est supporté par le Directeur, le Bureau de la Science, Bureau des Sciences De base d'Énergie du Département de l'Énergie des États-Unis.

Last Update: 17. January 2012 04:45

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