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Posted in | Nanomaterials | Nanoenergy

I Ricercatori del Laboratorio di Berkeley Creano il Photocatalyst Nano Di taglia per la Fotosintesi Artificiale

Published on March 10, 2009 at 6:57 PM

Per milioni di anni, le piante verdi hanno impiegato la fotosintesi per catturare l'energia proveniente da luce solare e per convertirla in energia elettrochimica. Uno scopo degli scienziati è stato di sviluppare una versione artificiale della fotosintesi che può essere usata per produrre i combustibili liquidi dall'anidride carbonica e dall'acqua. I Ricercatori con il Dipartimento Per L'Energia di Stati Uniti il Laboratorio Nazionale del Lawrence Berkeley (Laboratorio di Berkeley) ora hanno intrapreso una tappa critica verso questo scopo con la scoperta che i cristalli nano di taglia di ossido di cobalto possono efficacemente effettuare la reazione fotosintetica critica delle molecole di acqua di scissione.

Nell'ambito del combustibile attraverso lo scenario artificiale della fotosintesi, i nanotubes inclusi all'interno di una membrana agirebbero come le foglie verdi, facendo uso di radiazione solare incidente (Hã) per spaccare le molecole di acqua (H2O), liberando sugli elettroni e sull'ossigeno (O2) che poi reagiscono con l'anidride carbonica (CO2) per produrre un combustibile, indicati qui come metanolo (CH3OH). Il risultato è una fonte di energia verde rinnovabile che egualmente le guide sfregano l'atmosfera di eccessiva anidride carbonica dalla masterizzazione dei combustibili fossili. (Illustrazione da Flavio Robles, Affari Pubblici del Laboratorio di Berkeley)

“Fotoossidazione delle molecole di acqua in ossigeno, gli elettroni ed i protoni (idrogenioni) è una delle due mezze reazioni essenziali di un sistema artificiale della fotosintesi - fornisce gli elettroni stati necessari per ridurre l'anidride carbonica ad un combustibile,„ ha detto Heinz Frei, un chimico con Divisione Fisica delle Scienze Biologiche del Laboratorio di Berkeley, che ha condotto questa ricerca con il suo collega postdottorale Feng Jiao. “L'Efficace fotoossidazione richiede un catalizzatore che è sia efficiente nel suo uso dei fotoni solari che abbastanza veloce continuare con flusso solare per evitare sprecare quei fotoni. I Cluster dei nanocrystals dell'ossido di cobalto sono sufficiente efficienti e veloci e sono egualmente robusti (ultimo un molto tempo) ed abbondanti. Misura perfettamente la fattura.„

Frei e Jiao hanno riferito i risultati del loro studio nel giornale Angewandte Chemie, in un documento avente diritto: “L'Ossido di Cobalto di Nanostructured Ragruppa in Silice di Mesoporous come Catalizzatori Ossigeno-Evolventesi Efficienti.„ Questa ricerca è stata realizzata attraverso il Centro di Ricerca A energia solare di Helios (Helios SERC), un programma scientifico al Laboratorio di Berkeley sotto la direzione di Paul Alivisatos, che è puntato su che sviluppa i combustibili da luce solare. Frei servisce da vice direttore di Helios SERC.

La fotosintesi Artificiale per la produzione dei combustibili liquidi offre la promessa di un rinnovabile e la sorgente carbonio-neutrale di energia del trasporto, significante lo non contribuirebbe al riscaldamento globale che deriva dalla masterizzazione del petrolio e del carbone. L'idea è di migliorare sopra il trattamento che a lungo ha servito le piante verdi ed i batteri sicuri integrando nei sistemi di raccolta di una singola piattaforma che possono catturare i fotoni solari ed i sistemi catalitici che possono ossidare acqua cioè una foglia artificiale.

“Per approfittare della flessibilità e della precisione da cui l'assorbimento della luce, il trasporto della tassa ed i beni catalitici possono essere gestiti dalle strutture molecolari inorganiche discrete, stiamo lavorando con i nanoclusters polinucleari dell'ossido di metallo in silice,„ Frei ha detto. “Nel lavoro più in anticipo, abbiamo trovato che l'ossido dell'iridio era efficiente ed abbastanza veloce fare il processo, ma l'iridio è il meno metallo abbondante su terra ed adatto ad uso molto su una larga scala. Abbiamo avuto bisogno di un metallo che era ugualmente efficace ma molto più abbondante.„

Le piante Verdi realizzano la fotoossidazione delle molecole di acqua all'interno di un complesso delle proteine chiamate il Photosystem II, in cui manganese-contenendo gli enzimi servisca da catalizzatore. a complessi organometallici Basati a manganese modellistici fuori dal Fotosistema II hanno indicato una certa promessa come photocatalysts per l'ossidazione dell'acqua ma alcuni soffrono da essere insolubili in acqua e nessuno sono molto robusti. Nel ricerca dei catalizzatori puramente inorganici che si dissolverebbero in acqua e sarebbero molto più robusti dei materiali biomimetic, di Frei e di Jiao girati verso ossido di cobalto, un materiale altamente abbondante che è un catalizzatore industriale importante. Quando Frei e Jiao hanno verificato le particelle micron di taglia di ossido di cobalto, hanno trovato che le particelle erano inefficienti e non quasi abbastanza veloce servire da photocatalysts. Tuttavia, quando nano di taglia le particelle erano un'altra storia.

“Il rendimento per i cluster degli a cristallo nano di taglia dell'ossido di cobalto (Co3O4) era circa 1.600 volte più superiore a per le particelle micron di taglia,„ ha detto Frei, “e la frequenza di volume d'affari (velocità) erano circa 1.140 molecole dell'ossigeno al secondo per cluster, che è proporzionato a flusso solare al livello del suolo (circa 1.000 Watt per metro quadro).„

Frei e Jiao hanno usato la silice mesoporous come loro impalcatura, coltivante i loro nanocrystals del cobalto all'interno dei canali naturalmente paralleli del nanoscale della silice via una tecnica conosciuta come “l'impregnazione bagnata.„ I migliori esecutori erano cristalli a forma di bastoncino che misurano 8 nanometri di diametro e 50 nanometri di lunghezza, che sono stati collegati dai brevi ponti per formarsi hanno impacchettato i cluster. I gruppi erano a forma di come una sfera con un diametro di 35 nanometri. Mentre il risparmio di temi catalitico del metallo del cobalto stesso era importante, Frei ha detto che il fattore principale dietro il risparmio di temi e la velocità migliorati dei gruppi era la loro dimensione.

“Lo sospettiamo che l'area interna comparativamente molto grande di questi 35 gruppi di nanometro (dove la catalisi ha luogo) era il fattore principale dietro il loro risparmio di temi aumentato,„ abbiamo detto, “perché quando abbiamo prodotto i più grandi gruppi (65 diametri di nanometro), l'area interna è stata diminuita ed i gruppi abbiamo perso molto di quel guadagno di risparmio di temi.„

Frei e Jiao intraprenderanno ulteriori studi per guadagnare una migliore comprensione di perché i loro cluster nanocrystal dell'ossido di cobalto sono tali photocatalysts efficienti ed ad alta velocità ed anche esaminare altri catalizzatori dell'ossido di metallo. Il grande punto seguente, tuttavia, sarà di integrare reazione dell'ossidazione dell'acqua la mezza con il punto di riduzione dell'anidride carbonica in un sistema di tipi artificiale della foglia.

“Il risparmio di temi, la velocità e la dimensione dei nostri cluster nanocrystal dell'ossido di cobalto sono comparabili al Fotosistema II,„ ha detto Frei. “Quando scomponete nell'abbondanza di ossido di cobalto, la stabilità dei nanoclusters nell'ambito di uso, il pH modesto e condizioni termiche overpotential e delicati, crediamo che abbiamo una componente catalitica di promessa per mettere a punto un sistema di conversione solare integrato possibile del combustibile. Ciò è la sfida importante seguente nel campo della fotosintesi artificiale per produzione del combustibile.„

Il Centro di Ricerca A energia solare di Helios è supportato dal Direttore, l'Ufficio di Scienza, Ufficio delle Scienze Di Base di Energia del Dipartimento Per L'Energia di Stati Uniti.

Last Update: 17. January 2012 04:19

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