Site Sponsors
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
Posted in | Nanomaterials | Nanoenergy

De Onderzoekers van het Laboratorium van Berkeley Creëren nano-Gerangschikte Photocatalyst voor Kunstmatige Fotosynthese

Published on March 10, 2009 at 6:57 PM

Voor miljoenen jaren, hebben de groene installaties fotosynthese aangewend om energie van zonlicht te vangen en het om te zetten in elektrochemische energie. Een doel van wetenschappers is geweest een kunstmatige versie van fotosynthese te ontwikkelen die kan worden gebruikt om vloeibare brandstoffen van kooldioxide en water te produceren. De Onderzoekers met het Nationale Laboratorium van Lawrence Berkeley van het Ministerie van de V.S. van Energie (het Laboratorium van Berkeley) hebben nu een kritieke maatregel naar dit doel met de ontdekking getroffen dat de nano-gerangschikte kristallen van kobaltoxyde de kritieke fotosynthetische reactie kunnen effectief uitvoeren van het verdelen van watermolecules.

Onder de brandstof door kunstmatige fotosynthese zou het scenario, nanotubes ingebed binnen een membraan als groene bladeren handelen, gebruikend inherente zonnestraling (Hã) om watermolecules (H2O) te verdelen, omhoog bevrijdend elektronen en zuurstof (O2) die dan met kooldioxide (CO2) reageren die een brandstof te produceren, hier als methanol wordt getoond (CH3OH). Het resultaat is een vernieuwbare groene energiebron dat de hulp ook de atmosfeer bovenmatige kooldioxide van het branden van fossiele brandstoffen schrobt. (Illustratie door Flavio Robles, de Openbare Zaken van het Laboratorium van Berkeley)

„Photooxidation van watermolecules in zuurstof, elektronen en protonen (waterstofionen) is één van de twee essentiële halve reacties van een kunstmatig fotosynthesesysteem - het verstrekt de elektronen nodig om kooldioxide tot een brandstof te verminderen,“ bovengenoemd Heinz Frei, een chemicus met Afdeling van de Biologische Wetenschappen van het Laboratorium van Berkeley de Fysieke, die dit onderzoek met zijn post-doctorale medeFeng Jiao leidde. „Efficiënte photooxidation vereist een katalysator die zowel efficiënt in zijn gebruik van zonnefotonen als snel genoeg is met zonnestroom omhoog houden vermijden verspillend die fotonen. De Clusters van nanocrystals van het kobaltoxyde zijn voldoende efficiënt en snel, en zijn ook robuust (laatste oud) en overvloedig. Zij passen volkomen miljard“

Frei en Jiao hebben de resultaten van hun studie in het dagboek Angewandte Chemie gemeld, in een gerechtigd document: „De Clusters van het Oxyde van het Kobalt Nanostructured in Kiezelzuur Mesoporous als Efficiënte zuurstof-Evoluerende Katalysators.“ Dit onderzoek werd uitgevoerd door het Helios Onderzoekscentrum van de Zonne-energie (Helios SERC), een wetenschappelijk programma bij het Laboratorium van Berkeley onder de richting van Paul Alivisatos, die wordt gericht op het ontwikkelen van brandstoffen van zonlicht. Frei dient als afgevaardigdedirecteur van Helios SERC.

De Kunstmatige fotosynthese voor de productie van vloeibare brandstoffen biedt de belofte van een vernieuwbare en koolstof-neutrale bron van vervoersenergie aan, betekenend zou het niet bijdragen tot het globale verwarmen die uit het branden van olie en steenkool voortvloeit. Het idee is op het proces te verbeteren dat groene installaties en bepaalde bacteriën door in één enkel platform licht-oogst systemen heeft lang-gediend te integreren die zonnefotonen en katalytische systemen kunnen vangen die water kunnen oxyderen - met andere woorden, een kunstmatig blad.

„Om uit de flexibiliteit en de precisie voordeel te halen waardoor de lichtabsorptie, het lastenvervoer en de katalytische eigenschappen door afzonderlijke anorganische moleculaire structuren kunnen worden gecontroleerd, hebben wij met polynuclear metaaloxidenanoclusters in kiezelzuur gewerkt,“ bovengenoemde Frei. „In het vroegere werk, vonden wij dat het iridiumoxyde efficiënt en snel genoeg was om het werk te doen, maar het iridium is het minste overvloedige metaal en niet geschikt ter wereld voor gebruik op zeer grote schaal. Wij hadden een metaal nodig dat even efficiënt maar veel overvloediger was.“

De Groene installaties voeren photooxidation van watermolecules binnen een complex van proteïnen genoemd uit Fotosysteem II, waarin mangaan-bevattend enzymen als katalysator dien. De op mangaan-Gebaseerde die organometallic complexen van Fotosysteem II worden gemodelleerd hebben één of andere belofte als photocatalysts voor wateroxydatie getoond maar sommigen lijden aan niet in water oplosbaar het zijn en niets is zeer robuust. Bij het zoeken van zuiver anorganische katalysators die in water zouden oplossen en veel robuuster zouden zijn dan biomimetic die materialen, Frei en Jiao aan kobaltoxyde worden gedraaid, een hoogst overvloedig materiaal dat een belangrijke industriële katalysator is. Toen Frei en Jiao geteste micron-gerangschikte deeltjes van kobaltoxyde, zij vonden de deeltjes inefficiënt en niet bijna snel genoeg waren om te dienen als photocatalysts. Nochtans, toen waren zij nano-gerangschikt de deeltjes het een ander verhaal.

De „opbrengst voor clusters de nano-gerangschikte kristallen van van het kobaltoxyde (Co3O4) was ongeveer 1.600 keer hoger dan voor micron-gerangschikte deeltjes,“ bovengenoemde Frei, „en de omzetfrequentie (snelheid) was ongeveer 1.140 zuurstofmolecules per seconde per cluster, die met zonnestroom op grondniveau (ongeveer 1.000 Watts per vierkante meter).“ evenredig is

Frei en Jiao gebruikten mesoporous kiezelzuur als hun steiger, kwekend hun kobaltnanocrystals binnen de natuurlijk parallelle die nanoscalekanalen van het kiezelzuur via een techniek als „natte impregnatie.“ wordt bekend De beste uitvoerders waren staaf-vormige kristallen die 8 nanometers in diameter en 50 nanometers in lengte meten, die door korte bruggen onderling werden verbonden om gebundelde clusters te vormen. De bundels werden gevormd als een gebied met een diameter van 35 nanometers. Terwijl de katalytische efficiency van het kobaltmetaal zelf belangrijk was, zei Frei de belangrijkste factor achter de verbeterde efficiency en de snelheid van de bundels was hun grootte.

„Wij verdenken dat het betrekkelijk zeer grote interne gebied van deze 35 nanometerbundels (waar de katalyse) plaatsvindt de belangrijkste factor achter hun verhoogde efficiency was,“ hij zeiden, „omdat toen wij grotere bundels (65 nanometerdiameters) produceerden, het interne gebied werd verminderd en de bundels verloren veel van die efficiencyaanwinst.“

Frei en Jiao zullen verdere studies uitvoeren om beter inzicht van te verkrijgen waarom hun nanocrystal clusters van het kobaltoxyde dergelijke efficiënt en hoge snelheid photocatalysts en ook onderzoekend andere metaaloxidekatalysators zijn. De volgende grote stap, echter, zal zijn de halve reactie van de wateroxydatie met de stap van de kooldioxidevermindering in een kunstmatig bladtype systeem te integreren.

De „efficiency, de snelheid en de grootte van onze nanocrystal clusters van het kobaltoxyde zijn vergelijkbaar met Fotosysteem II,“ bovengenoemde Frei. „Wanneer u factor in de overvloed van kobaltoxyde, de stabiliteit van nanoclusters onder gebruik, de bescheiden overpotential en milde pH en temperatuurvoorwaarden, wij geloven hebben wij een het beloven katalytische component om een haalbaar geïntegreerd zonnesysteem van de brandstofomzetting te ontwikkelen. Dit is de volgende belangrijke uitdaging op het gebied van kunstmatige fotosynthese voor brandstofproductie.“

Het Helios Onderzoekscentrum van de Zonne-energie Wordt gesteund door de Directeur, Bureau van Wetenschap, Bureau van de BasisWetenschappen van de Energie van het Ministerie van de V.S. van Energie.

Last Update: 14. January 2012 11:00

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