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伯克利實驗室的研究人員創造人工光合作用納米光觸媒

Published on March 10, 2009 at 6:57 PM

數百萬年,採用綠色植物光合作用捕捉太陽光的能量轉換成電化學能量。一個科學家的目標一直是開發一個版本,可用於生產液體燃料,二氧化碳和水的人工光合作用。與能源部下屬的勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的美國能源部的研究人員現在已經邁出了關鍵的一步,朝著這個目標發現氧化鈷納米大小的晶體可以有效地進行分裂水分子的關鍵光合反應。

碳納米管嵌入在膜燃料通過人工光合作用的情景下,將充當綠葉一樣,使用分裂水分子(H2O)的入射太陽輻射(HA),釋放出電子和氧氣(O2),再與二氧化碳反應(二氧化碳)生產燃料,甲醇(CH3OH)所示。其結果是一種可再生的綠色能源,還可以幫助擦洗過量二氧化碳從化石燃料的燃燒氣氛。 (弗拉維奧羅伯斯,伯克利實驗室的公共事務的插圖)

“水分子的光氧化成氧氣,電子和質子(氫離子)是兩個半人工光合作用系統的一個重要反應之一 - 亨氏弗雷說,”它提供了所需的燃料,以減少二氧化碳的電子,與化學家伯克利實驗室的體育生物科學部,進行這項研究與他的博士後研究員鳳嬌。 “有效的光氧化反應需要一個催化劑,在其使用的太陽能光子效率和速度不夠快跟上太陽通量,以避免浪費這些光子。氧化鈷納米晶體的集群是充分有效和快速的,也是強大的(持續很長時間)和豐富的。他們完美契合了條例草案。“

弗雷和焦在應用化學雜誌報導了他們的研究結果,在一份文件題為:“在介孔二氧化矽納米氧化鈷集群高效放氧的催化劑。”這項研究是通過的Helios太陽能研究中心(赫利俄斯電監會),伯克利實驗室的保羅 Alivisatos的方向,這是旨在開發燃料從陽光下的科學方案。赫利俄斯電監會弗雷擔任副主任。

從燃燒石油和煤炭生產液體燃料的人造光合作用提供了一個可再生能源和碳中性源交通能源的承諾,這意味著它不會有助於全球變暖的結果。我們的想法是改進的過程,通過集成到一個單一的平台捕光系統,可以捕捉太陽光子和催化氧化水的系統,可以長期服務的綠色植物和某些細菌 - 換句話說,一個人工葉。

“要充分利用光的吸收,負責運輸和催化性能離散無機分子結構,我們一直與多核金屬矽的氧化物納米團簇的工作,可以控制的靈活性和精確性的優勢,”弗雷說。 “在早期的工作中,我們發現,銥氧化物的效率和速度不夠快,做的工作,但銥是地球上最豐富的金屬,不適合使用一個非常大的的規模。我們需要的是同樣有效的,但更為豐富的金屬。“

綠色植物內執行複雜的稱為光系統 II的蛋白質,其中含有錳酶作為催化劑作用的水分子的光氧化反應。關閉光系統 II為藍本的錳基的有機金屬配合物顯示水的氧化光催化劑的一些承諾,但一些患有不溶於水,都不是非常強大的。弗雷和焦在尋找純無機催化劑,易溶於水,將遠遠超過了強大的仿生材料,氧化鈷,高度豐富的物質,是一種重要的工業催化劑。當弗雷和焦測試氧化鈷微米大小的顆粒,他們發現效率低下,不近快,足以作為光催化劑的顆粒。然而,當他們納米級的顆粒,它是另一回事。

“氧化鈷(Co3O4的)納米大小的晶體群的產量比微米大小的顆粒高出約 1600倍,”弗雷說,“營業額的頻率(速度)約 1140每秒的氧分子,每個群集與在地面上(約每平方米1000瓦)的太陽通量相稱。“

弗雷和焦介孔二氧化矽作為他們的腳手架,增長內自然平行的納米二氧化矽渠道,通過鈷納米晶體的一種技術稱為“濕浸漬。”表現最佳的是桿狀測量 8納米,直徑 50納米的晶體長,短橋相互連接,形成捆綁集群。束形狀像一個直徑 35納米的的球體。雖然鈷金屬本身的催化效率是重要的,弗雷說,背後束提高效率和速度的主要因素是它們的大小。

“我們懷疑,這些 35納米束(其中催化發生)的內部相對非常大的面積是其效率的提高背後的主要因素,”他說,“因為當我們產生了較大的包(65納米的直徑),內部面積減少和捆綁失去了許多,效率增益。“

弗雷和焦將進行進一步研究,以獲得更好地理解為什麼他們的鈷氧化物納米晶集群是這樣的高效率和高速光催化劑,並尋找其它金屬氧化物催化劑。接下來的一大步,但是,將整合水氧化半反應與人工葉型系統的二氧化碳削減步驟。

“效率,速度和氧化鈷納米晶體簇的大小與光系統 II,”弗雷說。 “當你豐富的鈷,氧化的因素,正在使用的納米團簇的穩定性,適度的過電位和溫和的pH值和溫度條件下,我們相信我們有一個制定一個可行的集成太陽能燃料轉換系統的前途的催化元件。這是為燃料生產的人造光合作用領域中的下一個重要的挑戰。“

太陽神太陽能研究中心主任,科學辦公室,美國能源部基礎能源科學辦公室支持。

Last Update: 7. October 2011 11:27

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