Wetenschapper Heinz Frei heeft tientallen jaren gewerkt aan het bouwen van een kunstmatige versie van een van de meest elegante en effectieve machines van de natuur:het blad.

Frei, en vele andere onderzoekers over de hele wereld, proberen fotosynthese te gebruiken - de door zonlicht aangedreven chemische reactie die groene planten en algen gebruiken om koolstofdioxide (CO .) om te zetten ₂ ) in cellulaire brandstof - om de soorten brandstof te genereren die onze huizen en voertuigen van stroom kunnen voorzien. Als de noodzakelijke technologie zou kunnen worden verfijnd voorbij theoretische modellen en prototypes op laboratoriumschaal, dit moonshot-idee, bekend als kunstmatige fotosynthese, heeft het potentieel om grote bronnen van volledig hernieuwbare energie op te wekken met behulp van de overtollige CO ₂ in onze atmosfeer.

Met hun laatste voorschot, Frei en zijn team van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy naderen dit doel nu. De wetenschappers hebben een kunstmatig fotosynthesesysteem ontwikkeld, gemaakt van buisjes van nanoformaat, die in staat lijkt om alle belangrijke stappen van de brandstofgenererende reactie uit te voeren.

Hun laatste krant, gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen , toont aan dat hun ontwerp zorgt voor de snelle stroom van protonen uit de binnenruimte van de buis, waar ze worden gegenereerd door het splitsen van watermoleculen, naar buiten, waar ze combineren met CO ₂ en elektronen om de brandstof te vormen. Die brandstof is momenteel koolmonoxide, maar het team werkt aan het maken van methanol. Snelle protonenstroom, die essentieel is voor het efficiënt benutten van zonlichtenergie om een ​​brandstof te vormen, is een doorn in het oog geweest van vroegere kunstmatige fotosynthesesystemen.

Nu het team heeft laten zien hoe de buizen alle fotosynthetische taken afzonderlijk kunnen uitvoeren, ze zijn klaar om het complete systeem te gaan testen. De afzonderlijke eenheid van het systeem bestaat uit kleine vierkante "brandstoftegels op zonne-energie" (enkele centimeters aan een kant) met miljarden buizen op nanoschaal die zijn ingeklemd tussen een vloer en een plafond van dunne, licht flexibel silicaat, waarbij de buisopeningen door deze deksels steken. Frei heeft goede hoop dat de tegels van zijn groep de eerste kunnen zijn om de grote hindernissen aan te pakken die nog steeds met dit soort technologie worden geconfronteerd.

"Er zijn twee uitdagingen die nog niet zijn aangegaan, " zei Frei, die een senior wetenschapper is in de Biosciences Area van Berkeley Lab. “Een daarvan is schaalbaarheid. Als we fossiele brandstoffen in de grond willen houden, we moeten energie kunnen maken in terawatt - een enorme hoeveelheid brandstof. En, je moet een vloeibare koolwaterstofbrandstof maken, zodat we die daadwerkelijk kunnen gebruiken met de biljoenen dollars aan bestaande infrastructuur en technologie."

Hij merkte op dat als er eenmaal een model is gemaakt dat aan deze eisen voldoet, het bouwen van een zonne-energieboerderij uit vele afzonderlijke tegels zou snel kunnen gaan. "We, als fundamentele wetenschappers, een tegel moeten leveren die werkt, met alle vragen over de prestaties geregeld. En ingenieurs in de industrie weten hoe ze deze tegels moeten verbinden. Als we vierkante inches hebben berekend, ze zullen vierkante mijlen kunnen maken."

Hoe het werkt

Elke kleine (ongeveer 0,5 micrometer breed), holle buis in de tegel is gemaakt van drie lagen:een binnenlaag van kobaltoxide, een middelste laag silica, en een buitenlaag van titaniumdioxide. In de binnenste laag van de buis, energie van zonlicht geleverd aan het kobaltoxide splitst water (in de vorm van vochtige lucht die door de binnenkant van elke buis stroomt), produceren van vrije protonen en zuurstof.

"Deze protonen stromen gemakkelijk door naar de buitenste laag, waar ze combineren met kooldioxide om nu koolmonoxide te vormen - en methanol in een toekomstige stap - in een proces dat mogelijk wordt gemaakt door een katalysator die wordt ondersteund door de titaniumdioxidelaag, " zei Won Jun Jo, een postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur van het artikel. "De brandstof verzamelt zich in de ruimte tussen de buizen, en kan gemakkelijk worden afgevoerd voor verzameling."

belangrijk, de middelste laag van de buiswand houdt de zuurstof geproduceerd door wateroxidatie in het binnenste van de buis, en blokkeert de kooldioxide en de evoluerende brandstofmoleculen aan de buitenkant van het doordringen in het interieur, waardoor de twee zeer onverenigbare chemische reactiezones worden gescheiden.

Dit ontwerp bootst werkelijke levende fotosynthetische cellen na, die oxidatie- en reductiereacties scheiden met organische membraancompartimenten in de chloroplast. Evenzo in lijn met de oorspronkelijke blauwdruk van de natuur, de membraanbuizen van het team zorgen ervoor dat de fotosynthetische reactie over een zeer korte afstand kan plaatsvinden, het minimaliseren van het energieverlies dat optreedt als ionen reizen en het voorkomen van onbedoelde chemische reacties die ook de efficiëntie van het systeem zouden verlagen.

"Dit werk maakt deel uit van de toewijding van Berkeley Lab om bij te dragen tot oplossingen voor de urgente energie-uitdagingen van klimaatverandering, "zei Frei. "Het interdisciplinaire karakter van de taak vereist de brede expertise en belangrijke faciliteiten die uniek zijn voor Berkeley Lab. Vooral, de nanofabricage- en beeldvormingsmogelijkheden van de Molecular Foundry zijn essentieel voor het synthetiseren en karakteriseren van de ultradunne lagen en het maken van vierkante-inch-sized arrays van holle nanobuisjes."