Механизм фотосинтеза перезаряжает солнечную энергию для преобразования водородного топлива

Глобальный экономический рост сопровождается увеличением спроса на энергию, но увеличение производства энергии может оказаться сложной задачей. Недавно ученые достигли рекордной эффективности преобразования солнечной энергии в топливо, и теперь они хотят использовать механизм фотосинтеза, чтобы продвинуть его дальше.

Исследователи представили свои результаты 17 августа 2020 г. на Виртуальной встрече и выставке Американского химического общества (ACS) Fall 2020. ACS проведет встречу до четверга. Он включает более 6000 презентаций по широкому кругу научных тем.

«Мы хотим создать фотокаталитическую систему, которая использует солнечный свет для управления химическими реакциями, имеющими важное значение для окружающей среды», — говорит Лилак Амирав, доктор философии, главный исследователь проекта.

В частности, ее группа в Израильском технологическом институте разрабатывает фотокатализатор, который может превращать воду в водородное топливо. «Когда мы помещаем наши наночастицы в форме стержня в воду и освещаем их светом, они генерируют положительные и отрицательные электрические заряды», — говорит Амирав. «Молекулы воды ломаются; отрицательные заряды производят водород (восстановление), а положительные заряды производят кислород (окисление). Две реакции, включающие положительный и отрицательный заряды, должны происходить одновременно. Без использования положительных зарядов нельзя направить отрицательные заряды для производства желаемого водорода».

Если положительный и отрицательный заряды, которые притягиваются друг к другу, удается рекомбинировать, они нейтрализуют друг друга, и энергия теряется. Итак, чтобы убедиться, что заряды достаточно далеко друг от друга, команда создала уникальные гетероструктуры, состоящие из комбинации различных полупроводников, а также катализаторов из металлов и оксидов металлов. Используя модельную систему, они отдельно изучили реакции восстановления и окисления и изменили гетероструктуру для оптимизации производства топлива.

В 2016 году команда разработала гетероструктуру со сферической квантовой точкой селенида кадмия, встроенной в стержнеобразный кусок сульфида кадмия. На острие находилась металлическая частица платины. Частица селенида кадмия притягивает положительные заряды, в то время как отрицательные заряды накапливаются на острие.

«Регулируя размер квантовой точки и длину стержня, а также другие параметры, мы достигли 100% преобразования солнечного света в водород в результате восстановления воды», — говорит Амирав. Она отмечает, что одна наночастица фотокатализатора может производить 360000 молекул водорода в час.

Группа опубликовала свои результаты в журнале ACS Nano Letters. Но в этих экспериментах они изучили только половину реакции (восстановление). Для правильного функционирования фотокаталитическая система должна поддерживать реакции как восстановления, так и окисления. «Мы еще не преобразовывали солнечную энергию в топливо», — говорит Амирав. «Нам все еще нужна была реакция окисления, которая постоянно доставляла бы электроны в квантовую точку». Реакция окисления воды протекает в многоступенчатом процессе, и в результате остается серьезной проблемой. Кроме того, его побочные продукты, похоже, ставят под угрозу стабильность полупроводника.

Вместе с сотрудниками группа исследовала новый подход — поиск различных соединений, которые можно было бы окислять вместо воды, — что привело их к бензиламину. Исследователи обнаружили, что они могут производить водород из воды, одновременно превращая бензиламин в бензальдегид. «С помощью этого исследования мы преобразовали процесс фотокатализа в фотосинтез, то есть подлинное преобразование солнечной энергии в топливо», — говорит Амирав. Фотокаталитическая система выполняет истинное преобразование солнечной энергии в хранимые химические связи с максимальной эффективностью преобразования солнечной энергии в химическую 4,2%. «Эта цифра устанавливает новый мировой рекорд в области фотокатализа и вдвое превышает предыдущий».

Источник

Метки: энергия