Posted in | Nanomaterials | Nanoenergy

Berkeley Lab Forskere Lag nanostørrelse photocatalyst for kunstig fotosyntese

Published on March 10, 2009 at 6:57 PM

For millioner av år, har grønne planter ansatt fotosyntese å fange energi fra sollys og konvertere den til elektrokjemisk energi. Et mål av forskere har vært å utvikle en kunstig versjon av fotosyntesen som kan brukes til å produsere flytende drivstoff fra karbondioksid og vann. Forskere ved US Department of Energy er Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har nå tatt et avgjørende skritt mot dette målet med oppdagelsen av at nano-størrelse krystaller av kobolt oksid effektivt kan utføre de kritiske fotosyntetiske reaksjon splitte vannmolekyler.

Under drivstoff gjennom kunstig fotosyntese scenario, ville nanorør integrert i en membran opptre som grønne blader, ved hjelp av hendelsen solstråling (HA) for å splitte vannmolekyler (H2O), frigjøre elektroner og oksygen (O2) som så reagerer med karbondioksid (CO2 ) for å produsere drivstoff, vises her som metanol (CH3OH). Resultatet er en fornybar grønn energikilde som også hjelper skrubb atmosfæren av overdreven karbondioksid fra forbrenning av fossilt brensel. (Illustrasjon av Flavio Robles, Berkeley Lab Public Affairs)

"Fotooksidasjon av vann molekyler til oksygen, elektroner og protoner (hydrogenioner) er en av de to essensielle halvreaksjoner av en kunstig fotosyntese system - det gir elektroner som trengs for å redusere utslippene av karbondioksid til drivstoff," sa Heinz Frei, en kjemiker med Berkeley Lab fysiske biovitenskap Division, som har utført denne forskningen med sin postdoktor Feng Jiao. "Effektiv fotooksidasjon krever en katalysator som både er effektiv i sin bruk av solenergi fotoner og rask nok til å holde tritt med solar flux for å unngå å sløse dem fotoner. Klynger av kobolt oksid nanokrystaller er tilstrekkelig effektiv og rask, og er også robust (vare lenge) og rikelig. De passer perfekt regningen. "

Frei og Jiao har rapportert resultatene av sin studie i tidsskriftet Angewandte Chemie, i en artikkel med tittelen: "Nanostrukturerte Cobalt Oxide Clusters i mesoporous Silica som Efficient Oxygen-Evolving katalysatorer." Denne forskningen ble utført gjennom Helios Solar Energy Research Center (Helios SERC), et vitenskapelig program ved Berkeley Lab i regi av Paul Alivisatos, som er rettet mot å utvikle drivstoff fra sollys. Frei tjener som visedirektør for Helios SERC.

Kunstig fotosyntese for produksjon av flytende brensel gir løfte om en fornybar og karbon-nøytral kilde til transport energi, betyr det ikke ville bidra til den globale oppvarmingen som resultat av forbrenning av olje og kull. Ideen er å forbedre prosessen som har lang servert grønne planter og enkelte bakterier ved å integrere i en enkelt plattform lys-høsting systemer som kan fange solenergi fotoner og katalytiske systemer som kan oksidere vann - med andre ord, en kunstig blad.

"For å dra nytte av fleksibilitet og presisjon der lysabsorpsjonen lade transport og katalytiske egenskaper kan styres av diskrete uorganiske molekylære strukturer, har vi jobbet med polynuclear metalloksid nanoclusters i silika," Frei sa. "I tidligere arbeid, fant vi at iridium oksid var effektiv og rask nok til å gjøre jobben, men iridium er den minst rikelig metall på jorden og ikke egnet for bruk på en svært stor skala. Vi trengte et metall som var like effektivt, men langt mer rikelig. "

Grønne planter utføre fotooksidasjon av vann molekyler innenfor et kompleks av proteiner som kalles Photosystem II, hvor mangan-holdige enzymer fungerer som katalysator. Mangan-baserte metallorganiske komplekser modellert av Photosystem II har vist noen lover som photocatalysts for vann oksidasjon men noen lider av å være vannoppløselige og ingen er svært robust. På jakt etter rent uorganiske katalysatorer som skulle oppløses i vann og ville være langt mer robust enn biomimetic materialer, snudde Frei og Jiao til kobolt oksid, et svært rikt materiale som er en en viktig industriell katalysator. Da Frei og Jiao testet mikron-størrelse partikler av kobolt oksid, fant de partiklene var ineffektive og ikke på langt nær fort nok til å tjene som photocatalysts. Men når de nanostørrelse partiklene det var en annen historie.

"The yield for klynger av kobolt oksid (Co3O4) nanostørrelse krystaller var omtrent 1600 ganger høyere enn for mikron-størrelse partikler," sa Frei, "og omsetningen frekvens (hastighet) var ca 1140 oksygen molekyler per sekund per klynge, som er i samsvar med solar flux på bakkenivå (ca 1000 watt per kvadratmeter). "

Frei og Jiao brukt mesoporous silika som sin stillaset, vokser deres kobolt nanokrystaller innenfor naturlig parallelle nanoskala kanaler av silika via en teknikk kjent som "våt impregnering." De beste utøverne var stavformede krystaller måler 8 nanometer i diameter og 50 nanometer i lengde, som var sammen av korte bruer og danner sammen klynger. Buntene var formet som en kule med en diameter på 35 nanometer. Mens katalytiske effektivitet av kobolt metall i seg selv var viktig, sa Frei den viktigste faktoren bak den forbedrede effektiviteten og hastigheten på buntene var deres størrelse.

"Vi mistenker at den forholdsvis veldig store indre delen av disse 35 nanometer bunter (der katalyse finner sted) var den viktigste faktoren bak deres økt effektivitet," sa han, "fordi da vi produserte store bunter (65 nanometer diameter), den indre delen ble redusert og bunter mistet mye av den effektiviseringsgevinst. "

Frei og Jiao vil gjennomføre videre studier for å få en bedre forståelse av hvorfor deres kobolt oksid nanocrystal klyngene er så effektiv og høy hastighet photocatalysts og også ser på andre metalloksid katalysatorer. Det neste store steget, vil imidlertid være å integrere vannet oksidasjon halvdel reaksjon med karbondioksid reduksjonen skritt i en kunstig blad type system.

"The effektivitet, hastighet og størrelse på våre kobolt oksid nanocrystal klynger er sammenlignbare med Photosystem II," sier Frei. "Når du faktor i overflod av kobolt oksid, stabiliteten i nanoclusters under bruk, den beskjedne overpotential og mild pH-og temperaturforhold, vi tror vi har en lovende katalytisk komponent for å utvikle en levedyktig integrert solar drivstoff konvertering system. Dette er den neste viktige utfordringen innen kunstig fotosyntese for drivstoff produksjon. "

Den Helios Solar Energy Research Center er støttet av direktøren, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences av US Department of Energy.

Last Update: 10. October 2011 07:07

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