Wereldwijde economische groei gaat gepaard met een toenemende vraag naar energie, maar het opvoeren van de energieproductie kan een uitdaging zijn. Onlangs, wetenschappers hebben een recordrendement behaald voor de conversie van zonne-energie naar brandstof, en nu willen ze de machinerie van fotosynthese incorporeren om het verder te duwen. De onderzoekers presenteren hun resultaten vandaag op de American Chemical Society (ACS) Fall 2020 Virtual Meeting &Expo.

"We willen een fotokatalytisch systeem fabriceren dat zonlicht gebruikt om chemische reacties van milieubelang aan te sturen. " zegt Lila Amirav, doctoraat, hoofdonderzoeker van het project.

specifiek, haar groep aan het Israel Institute of Technology ontwerpt een fotokatalysator die water kan afbreken tot waterstofbrandstof. "Als we onze staafvormige nanodeeltjes in water plaatsen en er licht op laten schijnen, ze genereren positieve en negatieve elektrische ladingen, ' zegt Amirav. 'De watermoleculen breken; de negatieve ladingen produceren waterstof (reductie), en de positieve ladingen produceren zuurstof (oxidatie). De twee reacties, met de positieve en negatieve ladingen, gelijktijdig moet plaatsvinden. Zonder gebruik te maken van de positieve ladingen, de negatieve ladingen kunnen niet worden gerouteerd om de gewenste waterstof te produceren."

Als de positieve en negatieve ladingen, die zich tot elkaar aangetrokken voelen, weten te recombineren, ze annuleren elkaar, en de energie gaat verloren. Dus, om ervoor te zorgen dat de ladingen ver genoeg uit elkaar liggen, het team heeft unieke heterostructuren gebouwd die bestaan ​​uit een combinatie van verschillende halfgeleiders, samen met metaal- en metaaloxidekatalysatoren. Met behulp van een modelsysteem, ze bestudeerden de reductie- en oxidatiereacties afzonderlijk en veranderden de heterostructuur om de brandstofproductie te optimaliseren.

in 2016, het team ontwierp een heterostructuur met een bolvormige cadmium-selenide kwantumdot ingebed in een staafvormig stuk cadmiumsulfide. Aan de punt bevond zich een platina-metaaldeeltje. Het cadmium-selenidedeeltje trok positieve ladingen aan, terwijl negatieve ladingen zich ophopen op de punt. "Door de grootte van de kwantumdot en de lengte van de staaf aan te passen, evenals andere parameters, we bereikten 100% omzetting van zonlicht in waterstof uit waterreductie, " zegt Amirav. Een enkel fotokatalysator-nanodeeltje kan 360, 000 moleculen waterstof per uur, merkt ze op.

De groep publiceerde hun resultaten in het ACS-tijdschrift Nano-letters . Maar in deze experimenten ze bestudeerden slechts de helft van de reactie (de reductie). Voor een goede werking, het fotokatalytische systeem moet zowel reductie- als oxidatiereacties ondersteunen. "We zetten zonne-energie nog niet om in brandstof, " zegt Amirav. "We hadden nog steeds een oxidatiereactie nodig die continu elektronen aan de kwantumstip zou leveren." De oxidatiereactie van water vindt plaats in een meerstapsproces, en blijft daardoor een grote uitdaging. In aanvulling, de bijproducten lijken de stabiliteit van de halfgeleider in gevaar te brengen.

Samen met medewerkers, de groep verkende een nieuwe benadering - op zoek naar verschillende verbindingen die konden worden geoxideerd in plaats van water - wat leidde tot benzylamine. De onderzoekers ontdekten dat ze waterstof konden maken uit water, terwijl tegelijkertijd benzylamine wordt omgezet in benzaldehyde. “Met dit onderzoek we hebben het proces getransformeerd van fotokatalyse naar fotosynthese, dat is, echte omzetting van zonne-energie in brandstof, ", zegt Amirav. Het fotokatalytische systeem zorgt voor een echte omzetting van zonne-energie in op te slaan chemische bindingen, met een maximum van 4,2% zonne-naar-chemische energieconversie-efficiëntie. "Dit cijfer vestigt een nieuw wereldrecord op het gebied van fotokatalyse, en verdubbelt het vorige record, " merkt ze op. "Het Amerikaanse ministerie van Energie definieerde 5-10% als de 'praktische haalbaarheidsdrempel' voor het genereren van waterstof door middel van fotokatalyse. Vandaar, we staan ​​op de drempel van een economisch haalbare conversie van zonne-naar-waterstof."

Deze indrukwekkende resultaten hebben de onderzoekers gemotiveerd om te zien of er andere verbindingen zijn met hoge zonne-naar-chemische conversies. Om dit te doen, het team maakt gebruik van kunstmatige intelligentie. Door een samenwerking, de onderzoekers ontwikkelen een algoritme om in chemische structuren te zoeken naar een ideale brandstofproducerende verbinding. In aanvulling, ze onderzoeken manieren om hun fotosysteem te verbeteren, en een manier zou kunnen zijn om inspiratie uit de natuur te halen. Een eiwitcomplex in plantencelmembranen dat het elektrische circuit van fotosynthese omvat, werd succesvol gecombineerd met nanodeeltjes. Amirav zegt dat dit kunstmatige systeem tot nu toe vruchtbaar is gebleken, het ondersteunen van wateroxidatie en het leveren van fotostroom dan 100 keer groter is dan die geproduceerd door andere vergelijkbare systemen.