Het veiligstellen van voldoende energie om aan de menselijke behoeften te voldoen, is een van de grootste uitdagingen waarmee de samenleving ooit te maken heeft gehad. Eerder betrouwbare bronnen - olie, gas en kolen – verslechteren de luchtkwaliteit, land en oceaan verwoesten en het fragiele evenwicht van het mondiale klimaat veranderen, door de uitstoot van CO2 en andere broeikasgassen. In de tussentijd, de snel industrialiserende wereldbevolking zal tegen 2050 naar verwachting de 10 miljard bereiken. Schone alternatieven zijn een dringende noodzaak.

Onderzoekers van ASU's Biodesign Center for Applied Structural Discovery onderzoeken nieuwe technologieën die de weg kunnen effenen voor schone, duurzame energie om tegemoet te komen aan de ontmoedigende wereldwijde vraag.

In nieuw onderzoek dat verschijnt in de Tijdschrift van de American Chemical Society ( JACS ), het vlaggenschip tijdschrift van de ACS, hoofdauteur Brian Wadsworth, samen met collega's Anna Beiler, Diana Khusnutdinova, Edgar Reyes Cruz, en de corresponderende auteur Gary Moore beschrijven technologieën die lichtverzamelende halfgeleiders combineren met katalytische materialen die in staat zijn tot chemische reacties die schone brandstof produceren.

De nieuwe studie onderzoekt het subtiele samenspel van de primaire componenten van dergelijke apparaten en schetst een theoretisch kader voor het begrijpen van de onderliggende brandstofvormende reacties. De resultaten suggereren strategieën voor het verbeteren van de efficiëntie en prestaties van dergelijke hybride technologieën, waardoor ze een stap dichter bij commerciële levensvatbaarheid komen.

De productie van waterstof en gereduceerde vormen van koolstof door deze technologieën zou ooit fossiele brandstofbronnen kunnen verdringen voor een breed scala aan koolstofarme grondstoffen, inclusief brandstoffen, kunststoffen en bouwmaterialen.

"In dit specifieke werk hebben we systemen ontwikkeld die technologieën voor het opvangen en omzetten van licht integreren met op chemicaliën gebaseerde strategieën voor energieopslag, " zegt Moor, die een assistent-professor is in ASU's School of Molecular Sciences. In plaats van directe opwekking van elektriciteit uit zonlicht, deze nieuwe technologie maakt gebruik van zonne-energie om chemische reacties op gang te brengen die brandstoffen kunnen produceren, die de energie van de zon opslaan in chemische bindingen. "Dat is waar katalyse uiterst belangrijk wordt. Het is de chemie van het beheersen van zowel de selectiviteit van reacties als de algehele energiebehoefte voor het aansturen van die transformaties, ' zegt Moor.

Iets nieuws onder de zon

Een van de meest aantrekkelijke bronnen voor duurzame, CO2-neutrale energieproductie is zowel oud als overvloedig:zonlicht. Inderdaad, adoptie van zonne-energietechnologieën is de afgelopen jaren in een stroomversnelling geraakt.

Fotovoltaïsche (PV) apparaten, of zonnecellen, zonlicht verzamelen en de energie direct omzetten in elektriciteit. Verbeterde materialen en lagere kosten hebben van fotovoltaïsche energie een aantrekkelijke energieoptie gemaakt, vooral in zonovergoten staten als Arizona, met grote zonnepanelen die meerdere hectaren beslaan en die duizenden huizen van stroom kunnen voorzien.

"Maar alleen toegang hebben tot zonne-energie met behulp van fotovoltaïsche zonne-energie is niet genoeg, " merkt Moore op. Veel hernieuwbare energiebronnen zoals zonlicht en windenergie zijn niet altijd beschikbaar, dus opslag van intermitterende bronnen is een essentieel onderdeel van elke toekomstige technologie om op grote schaal aan de wereldwijde vraag naar menselijke energie te voldoen.

Zoals Moore uitlegt, het lenen van een pagina uit het handboek van de natuur kan onderzoekers helpen de stralingsenergie van de zon te benutten om duurzame brandstoffen te genereren. "Eén ding is duidelijk, Moore zegt. "We zullen waarschijnlijk in de nabije toekomst brandstoffen blijven gebruiken als onderdeel van onze energie-infrastructuur, vooral voor toepassingen met grond- en luchttransport. Dat is waar het bio-geïnspireerde deel van ons onderzoek bijzonder relevant wordt - kijken naar de natuur voor hints over hoe we nieuwe technologieën kunnen ontwikkelen voor het produceren van brandstoffen die koolstofvrij of neutraal zijn."

Zonne-flair

Een van de meest indrukwekkende trucs van de natuur is het gebruik van zonlicht om energierijke chemicaliën te produceren. een proces dat miljarden jaren geleden werd beheerst door planten en andere fotosynthetische organismen. "In dit proces, licht wordt geabsorbeerd, en de energie wordt gebruikt om een ​​reeks complexe biochemische transformaties aan te drijven die uiteindelijk het voedsel produceren dat we eten en, over lange geologische tijdschalen, de brandstoffen die onze moderne samenleving drijven, ' zegt Moor.

In de huidige studie, de groep analyseerde belangrijke variabelen die de efficiëntie bepalen van chemische reacties die worden gebruikt om brandstof te produceren via verschillende kunstmatige apparaten. "In deze krant, we hebben een kinetisch model ontwikkeld om het samenspel tussen lichtabsorptie aan het halfgeleideroppervlak te beschrijven, ladingsmigratie binnen de halfgeleider, ladingsoverdracht naar onze katalysatorlaag en vervolgens de stap van de chemische katalyse, ' zei Wadsworth.

Het model dat de groep ontwikkelde, is gebaseerd op een soortgelijk raamwerk dat het gedrag van enzymen regelt, bekend als Michaelis-Menten kinetiek, die de relatie beschrijft tussen enzymatische reactiesnelheden en het medium waarin de reactie plaatsvindt (of substraat). Hier, dit model wordt toegepast op technologische apparaten die lichtoogstende halfgeleiders en katalytische materialen combineren voor de vorming van brandstof.

"We beschrijven de brandstofvormende activiteiten van deze hybride materialen als een functie van de lichtintensiteit en ook het potentieel, "zegt Wadsworth. (Vergelijkbare kinetische modellen van het Michaelis-Menten-type zijn nuttig gebleken bij het analyseren van fenomenen als antigeen-antilichaambinding, DNA-DNA hybridisatie, en eiwit-eiwit interactie.)

Bij het modelleren van de dynamiek van het systeem, de groep deed een verrassende ontdekking. "In dit specifieke systeem worden we niet beperkt door hoe snel de katalysator de chemische reactie kan aansturen, ", zegt Moore. "We worden beperkt door het vermogen om elektronen aan die katalysator te leveren en te activeren. Dat heeft te maken met de lichtintensiteit die op het oppervlak valt. Brian, Anna, Diana, en Edgar hebben in hun experimenten aangetoond dat het verhogen van de lichtintensiteit de snelheid van brandstofvorming verhoogt."

De ontdekking heeft implicaties voor het toekomstige ontwerp van dergelijke apparaten met het oog op het maximaliseren van hun efficiëntie. "Het simpelweg toevoegen van meer katalysator aan het oppervlak van het hybride materiaal resulteert niet in een hogere brandstofproductie. We moeten rekening houden met de lichtabsorberende eigenschappen van de onderliggende halfgeleider, wat ons op zijn beurt dwingt om meer na te denken over de selectie van de katalysator en hoe de katalysator in contact komt met de lichtabsorberende component."

sprankje hoop

Er moet nog veel werk worden verzet voordat dergelijke solar-to-fuels-oplossingen klaar zijn voor prime time. Om dergelijke technologieën praktisch te maken voor menselijke eisen, is efficiëntie, betaalbaarheid en stabiliteit. "Biologische assemblages hebben het vermogen om zichzelf te repareren en te reproduceren; technologische assemblages zijn in dit aspect beperkt. Het is een gebied waar we meer kunnen leren van biologie, ' zegt Moor.

De taak kan nauwelijks urgenter zijn. De wereldwijde vraag naar energie zal naar verwachting toenemen van ongeveer 17 terawatt vandaag tot maar liefst 30 terawatt tegen het midden van de eeuw. Naast belangrijke wetenschappelijke en technologische hindernissen, Moore benadrukt dat ook ingrijpende beleidswijzigingen essentieel zullen zijn. "Er is een reële vraag hoe we aan onze toekomstige energiebehoefte gaan voldoen. Als we het op een milieubewuste en egalitaire manier gaan doen, het zal een serieuze politieke verbintenis vergen."

Het nieuwe onderzoek is een stap op de lange weg naar een duurzame toekomst. De groep merkt op dat hun bevindingen belangrijk zijn omdat ze waarschijnlijk relevant zijn voor een breed scala aan chemische transformaties waarbij lichtabsorberende materialen en katalysatoren betrokken zijn. "De belangrijkste principes, met name het samenspel tussen verlichtingsintensiteit, lichtabsorptie en katalyse zouden ook van toepassing moeten zijn op andere materialen, ' zegt Moor.