Wetenschappers zijn een stap dichter bij het bouwen van een koolstofrecyclingsysteem dat zonne-energie kan oogsten om CO2 en water efficiënt om te zetten in vloeibare brandstoffen. Door vele onderdelen van het systeem te optimaliseren, zeggen de onderzoekers, ze kunnen nu chemische reacties met twee elektronen aansturen, een aanzienlijke vooruitgang ten opzichte van reacties met één elektron, die energie-inefficiënt zijn.

Het onderzoek, gerapporteerd in het journaal Natuurchemie , zal diegenen helpen die een manier willen vinden om overtollig koolstofdioxide in de atmosfeer om te zetten in bruikbare energiebronnen, zei professor chemie van de Universiteit van Illinois, Prashant Jain, die het nieuwe onderzoek leidde.

"Wetenschappers kijken vaak naar planten voor inzicht in methoden om zonlicht om te zetten, kooldioxide en water in brandstoffen, " hij zei.

Wanneer zonne-energie plantenbladeren raakt, het prikkelt de elektronen in chlorofyl. Die opgewonden elektronen drijven uiteindelijk de chemie aan die koolstofdioxide en water omzet in glucose.

"Veel van deze chemische reacties zijn multiproton, multi-elektron reacties, ' zei Jaïn.

Maar in plaats van te vertrouwen op biologisch afbreekbare plantenpigmenten om lichtenergie om te zetten in chemische energie, wetenschappers wenden zich tot iets beters:elektronenrijke metaalkatalysatoren zoals goud, die bij specifieke lichtintensiteiten en golflengten foto-geëxciteerde elektronen en protonen kunnen overbrengen naar reactanten zonder te worden afgebroken of opgebruikt.

"In onze studie we gebruikten bolvormige gouddeeltjes van 13 tot 14 nanometer groot, Jain zei. "De nanodeeltjes hebben unieke optische eigenschappen, afhankelijk van hun grootte en vorm."

Wanneer gecoat met een polymeer en gesuspendeerd in water, bijvoorbeeld, de nanodeeltjes absorberen groen licht en reflecteren een dieprode kleur. Onder lichte opwinding, de nanodeeltjes dragen elektronen over aan sondemoleculen, die dan van kleur veranderen. Hierdoor kunnen wetenschappers meten hoe efficiënt de elektronenoverdrachtsreacties plaatsvinden.

"Onderzoekers zijn er in het verleden in geslaagd om fotochemie en deze lichtabsorberende materialen te gebruiken om één elektron tegelijk over te brengen, "Zei Jain. "Maar in de nieuwe studie, we hebben de principes en regels en voorwaarden geïdentificeerd waaronder een metalen nanodeeltjeskatalysator twee elektronen tegelijk kan overbrengen."

Door de intensiteit van het in de experimenten gebruikte laserlicht te variëren, Jain en zijn collega's ontdekten dat bij vier tot vijf keer de intensiteit van zonne-energie, de gouden nanodeeltjes in het systeem kunnen tot twee elektronen tegelijk van ethanol naar een elektronenhongerige sonde overbrengen.

Twee-elektronreacties hebben verreweg de voorkeur boven één-elektronreacties, zei Jaïn.

"Je hebt een elektronenpaar nodig om een ​​binding tussen atomen te maken, " zei hij. "Als je geen elektronenpaar levert - en een paar protonen om het verlies van elektronen te neutraliseren - maak je uiteindelijk vrije radicalen, die zeer reactief zijn en terug kunnen reageren, het verspillen van de energie die je hebt gebruikt om ze te maken. Ze kunnen ook reageren met andere chemicaliën of je katalysator vernietigen."

Jain concludeerde ook dat recente experimenten die zijn laboratorium met hetzelfde systeem uitvoerde, ook multi-elektron, multiproton-overdrachten. Bij die experimenten zijn lab zette CO2 om in ethaan, een twee-koolstofverbinding die energierijker is dan methaan, die slechts één koolstof bevat. Jain en zijn collega's hopen uiteindelijk propaan te genereren, die een drie-koolstof ruggengraat heeft, en butaan, die er vier heeft.

"Vanuit het oogpunt van chemie, het is interessant om de regels te begrijpen voor het aan elkaar rijgen van koolstofatomen, "Zei Jain. "Door meer dan één elektron tegelijk over te brengen, het activeren van meer dan één kooldioxidemolecuul tegelijk aan het oppervlak van de nanodeeltjeskatalysator kan ons toegang geven tot hogere koolwaterstoffen."

Hoewel de nieuwe bevindingen een belangrijke stap voorwaarts betekenen, er moet nog veel meer werk worden verzet voordat deze technologie klaar is om te worden gebruikt en opgeschaald om de huidige uitdagingen aan te gaan, zei Jaïn.

"Er is nog een lange weg te gaan. Ik denk dat we minstens een decennium nodig zullen hebben om praktische CO2-vastlegging te vinden, CO2-fixatie, brandstofvormingstechnologieën die economisch haalbaar zijn, " zei hij. "Maar elk inzicht in het proces verbetert het tempo waarin de onderzoeksgemeenschap kan bewegen."