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Posted in | Nanomaterials | Nanoenergy

伯克利实验室的研究人员创造人工光合作用纳米光触媒

Published on March 10, 2009 at 6:57 PM

数百万年,采用绿色植物光合作用捕捉太阳光的能量转换成电化学能量。一个科学家的目标一直是开发一个版本,可用于生产液体燃料,二氧化碳和水的人工光合作用。与能源部下属的劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的美国能源部的研究人员现在已经迈出了关键的一步,朝着这个目标发现氧化钴纳米大小的晶体可以有效地进行分裂水分子的关键光合反应。

碳纳米管嵌入在膜燃料通过人工光合作用的情景下,将充当绿叶一样,使用分裂水分子(H2O)的入射太阳辐射(HA),释放出电子和氧气(O2),再与二氧化碳反应(二氧化碳)生产燃料,甲醇(CH3OH)所示。其结果是一种可再生的绿色能源,还可以帮助擦洗过量二氧化碳从化石燃料的燃烧气氛。 (弗拉维奥罗伯斯,伯克利实验室的公共事务的插图)

“水分子的光氧化成氧气,电子和质子(氢离子)是两个半人工光合作用系统的一个重要反应之一 - 亨氏弗雷说,”它提供了所需的燃料,以减少二氧化碳的电子,与化学家伯克利实验室的体育生物科学部,进行这项研究与他的博士后研究员凤娇。 “有效的光氧化反应需要一个催化剂,在其使用的太阳能光子效率和速度不够快跟上太阳通量,以避免浪费这些光子。氧化钴纳米晶体的集群是充分有效和快速的,也是强大的(持续很长时间)和丰富的。他们完美契合了条例草案。“

弗雷和焦在应用化学杂志报道了他们的研究结果,在一份文件题为:“在介孔二氧化硅纳米氧化钴集群高效放氧的催化剂。”这项研究是通过的Helios太阳能研究中心(赫利俄斯电监会),伯克利实验室的保罗Alivisatos的方向,这是旨在开发燃料从阳光下的科学方案。赫利俄斯电监会弗雷担任副主任。

从燃烧石油和煤炭生产液体燃料的人造光合作用提供了一个可再生能源和碳中性源交通能源的承诺,这意味着它不会有助于全球变暖的结果。我们的想法是改进的过程,通过集成到一个单一的平台捕光系统,可以捕捉太阳光子和催化氧化水的系统,可以长期服务的绿色植物和某些细菌 - 换句话说,一个人工叶。

“要充分利用光的吸收,负责运输和催化性能离散无机分子结构,我们一直与多核金属硅的氧化物纳米团簇的工作,可以控制的灵活性和精确性的优势,”弗雷说。 “在早期的工作中,我们发现,铱氧化物的效率和速度不够快,做的工作,但铱是地球上最丰富的金属,不适合使用一个非常大的的规模。我们需要的是同样有效的,但更为丰富的金属。“

绿色植物内执行复杂的称为光系统II的蛋白质,其中含有锰酶作为催化剂作用的水分子的光氧化反应。关闭光系统II为蓝本的锰基的有机金属配合物显示水的氧化光催化剂的一些承诺,但一些患有不溶于水,都不是非常强大的。弗雷和焦在寻找纯无机催化剂,易溶于水,将远远超过了强大的仿生材料,氧化钴,高度丰富的物质,是一种重要的工业催化剂。当弗雷和焦测试氧化钴微米大小的颗粒,他们发现效率低下,不近快,足以作为光催化剂的颗粒。然而,当他们纳米级的颗粒,它是另一回事。

“氧化钴(Co3O4的)纳米大小的晶体群的产量比微米大小的颗粒高出约1600倍,”弗雷说,“营业额的频率(速度)约1140每秒的氧分子,每个群集与在地面上(约每平方米1000瓦)的太阳通量相称。“

弗雷和焦介孔二氧化硅作为他们的脚手架,增长内自然平行的纳米二氧化硅渠道,通过钴纳米晶体的一种技术称为“湿浸渍。”表现最佳的是杆状测量8纳米,直径50纳米的晶体长,短桥相互连接,形成捆绑集群。束形状像一个直径35纳米的的球体。虽然钴金属本身的催化效率是重要的,弗雷说,背后束提高效率和速度的主要因素是它们的大小。

“我们怀疑,这些35纳米束(其中催化发生)的内部相对非常大的面积是其效率的提高背后的主要因素,”他说,“因为当我们产生了较大的包(65纳米的直径),内部面积减少和捆绑失去了许多,效率增益。“

弗雷和焦将进行进一步研究,以获得更好地理解为什么他们的钴氧化物纳米晶集群是这样的高效率和高速光催化剂,并寻找其它金属氧化物催化剂。接下来的一大步,但是,将整合水氧化半反应与人工叶型系统的二氧化碳削减步骤。

“效率,速度和氧化钴纳米晶体簇的大小与光系统II,”弗雷说。 “当你丰富的钴,氧化的因素,正在使用的纳米团簇的稳定性,适度的过电位和温和的pH值和温度条件下,我们相信我们有一个制定一个可行的集成太阳能燃料转换系统的前途的催化元件。这是为燃料生产的人造光合作用领域中的下一个重要的挑战。“

太阳神太阳能研究中心主任,科学办公室,美国能源部基础能源科学办公室支持。

Last Update: 7. October 2011 11:28

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