(Phys.org) -- Door zonlicht om te zetten in chemische energie, kunstmatige fotosynthesesystemen kunnen mogelijk hernieuwbare, niet-vervuilende brandstoffen en chemicaliën voor een breed scala aan toepassingen. Maar het ontwikkelen van een efficiënt conversieproces van zonne-energie naar brandstof bleek een enorme uitdaging. Hoewel onderzoekers de haalbaarheid van kunstmatige fotosynthese hebben aangetoond, het bereiken van een hoog rendement blijkt moeilijker te zijn.

In een nieuwe studie, een team van wetenschappers van het Korea Research Institute of Chemical Technology in Daejon, Zuid-Korea, en Ewha Womans University in Seoel, Zuid-Korea, hebben aangetoond dat grafeen kan dienen als een efficiënte fotokatalysator voor het verbeteren van de efficiëntie van een kunstmatig fotosynthesesysteem. Als fotokatalysator, grafeen gebruikt zonlicht om de reactie te stimuleren zonder er zelf bij betrokken te raken.

Zoals de onderzoekers uitleggen, een goede fotokatalysator voor een dergelijk systeem zou in het zichtbare lichtspectrum moeten werken, aangezien 46% van de totale zonlichtenergie op aarde zich in het zichtbare bereik bevindt en slechts 4% in het UV-bereik. Eerdere studies hebben geëxperimenteerd met grafeen-halfgeleidercomposieten als fotokatalysatoren, maar de resultaten toonden aan dat deze materialen lage elektronenoverdrachtsniveaus hadden, wat leidde tot een laag rendement.

In de nieuwe studie de wetenschappers gebruikten grafeen zelf als fotokatalysator, die ze vervolgens koppelden aan een porfyrine-enzym. De onderzoekers toonden aan dat dit materiaal zonlicht en koolstofdioxide kan omzetten in mierenzuur, een chemische stof die wordt gebruikt in de kunststofindustrie en als brandstof in brandstofcellen. Tests toonden aan dat de op grafeen gebaseerde fotokatalysator zeer functioneel is in het zichtbare lichtregime, en dat de algehele efficiëntie aanzienlijk hoger is dan de efficiëntie van andere fotokatalysatoren.

"Het fotokatalysator-enzym-gekoppelde systeem is een van de meest ideale kunstmatige fotosynthesesystemen die zonne-energie gebruiken voor de synthese van verschillende chemicaliën en brandstof, ” vertelde co-auteur Jin-Ook Baeg van het Korea Research Institute of Chemical Technology: Phys.org . “Voor praktisch gebruik van het fotobioreactor kunstmatige fotosyntheseproces, een van de meest uitdagende taken is het zoeken naar een zeer efficiënt actief materiaal voor zichtbaar licht dat fungeert als een fotokatalysator in het NADH-regeneratiesysteem en de enzymatische productie van zonnechemicaliën/zonnebrandstof uit CO op gang brengt ₂ . Als een stap in de richting van dit doel, we rapporteren de synthese van een nieuw op grafeen gebaseerd zichtbaar licht actief materiaal als een fotokatalysator van het fotobioreactorsysteem voor een efficiënte kunstmatige fotosynthetische productie van mierenzuur uit CO ₂ .”

Om de oorsprong van de verbeterde fotokatalytische activiteit te begrijpen, de onderzoekers onderzochten de fotokatalysator met behulp van spectroscopie, thermische analyse, en microscopietechnieken. Ze ontdekten dat het materiaal goede elektronenoverdrachtscapaciteiten heeft, en het grote oppervlak van grafeen helpt de chemische reacties in het conversieproces te versnellen.

De mogelijkheid om zonnebrandstof rechtstreeks uit CO . te produceren ₂ heeft niet alleen toepassingen voor brandstofcellen en kunststoffen, maar ook in de farmaceutische industrie.

“Als een van de sterke praktische voordelen van het systeem, het kan ook worden gebruikt voor de productie van op maat gemaakte fijnchemicaliën met behulp van zonne-lichtenergie, ' zei Baeg. "Bijvoorbeeld, chirale 2-amino-1-arylethanolderivaten zijn een zeer belangrijk tussenproduct van vele soorten zeer dure chirale geneesmiddelen. Het kan gemakkelijk worden gesynthetiseerd door ons fotokatalysator-enzym-gekoppelde kunstmatige fotosynthesesysteem, eenvoudig met behulp van zonne-lichtenergie. We doen momenteel het onderzoek om het fotokatalysator-enzym-gekoppelde kunstmatige fotosynthesesysteem te ontwikkelen voor op maat gemaakte chirale zonnechemicaliën. De resultaten zullen in de nabije toekomst worden gepubliceerd. Daarom, dit artikel toont niet alleen een benchmarkvoorbeeld van het op grafeen gebaseerde materiaal dat wordt gebruikt als fotokatalysator in algemene kunstmatige fotosynthese, maar ook het benchmarkvoorbeeld van het selectieve productiesysteem van zonnechemicaliën/zonnebrandstof rechtstreeks uit CO ₂ .”

Copyright 2012 Phys.org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.