(Phys.org) — In de nasleep van het ontnuchterende nieuws dat de kooldioxide in de atmosfeer nu op het hoogste niveau in ten minste drie miljoen jaar staat, er is een belangrijke stap gezet in de race om CO2-neutrale hernieuwbare energiebronnen te ontwikkelen. Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben het eerste volledig geïntegreerde nanosysteem voor kunstmatige fotosynthese gerapporteerd. Hoewel "kunstmatig blad" de populaire term is voor een dergelijk systeem, de sleutel tot dit succes was een 'kunstmatig bos'.

"Vergelijkbaar met de chloroplasten in groene planten die fotosynthese uitvoeren, ons kunstmatige fotosynthetische systeem bestaat uit twee lichtabsorberende halfgeleiders, een grenslaag voor ladingstransport, en ruimtelijk gescheiden co-katalysatoren, " zegt Peidong Yang, een chemicus bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, die dit onderzoek leidde. "Om de splitsing van zonnewater in ons systeem te vergemakkelijken, we hebben boomachtige heterostructuren van nanodraden gesynthetiseerd, bestaande uit silicium-stammen en titaniumoxide-takken. visueel, arrays van deze nanostructuren lijken erg op een kunstmatig bos."

Yang, die ook afspraken heeft met de Chemistry Department en Department of Materials Science and Engineering van de University of California Berkeley, is de corresponderende auteur van een artikel waarin dit onderzoek in het tijdschrift wordt beschreven Nano-letters . Het artikel is getiteld "A Fully Integrated Nanosystem of Semiconductor Nanowires for Direct Solar Water Splitting." Co-auteurs zijn Chong Liu, Jinyao Tang, Hao Ming Chen en Bin Liu.

Zonnetechnologieën zijn de ideale oplossingen voor CO2-neutrale hernieuwbare energie - er zit genoeg energie in één uur wereldwijd zonlicht om een ​​jaar lang aan alle menselijke behoeften te voldoen. kunstmatige fotosynthese, waarin zonne-energie direct wordt omgezet in chemische brandstoffen, wordt beschouwd als een van de meest veelbelovende zonnetechnologieën. Een grote uitdaging voor kunstmatige fotosynthese is om waterstof goedkoop genoeg te produceren om te kunnen concurreren met fossiele brandstoffen. Om deze uitdaging aan te gaan, is een geïntegreerd systeem nodig dat op efficiënte wijze zonlicht kan absorberen en ladingsdragers kan produceren om afzonderlijke halfreacties van waterreductie en oxidatie aan te sturen.

"Bij natuurlijke fotosynthese produceert de energie van geabsorbeerd zonlicht energetische ladingsdragers die chemische reacties uitvoeren in afzonderlijke gebieden van de chloroplast, " zegt Yang. "We hebben onze nanodraad-heterostructuur op nanoschaal geïntegreerd in een functioneel systeem dat de integratie in chloroplasten nabootst en een conceptuele blauwdruk biedt voor een betere conversie-efficiëntie van zonne-energie naar brandstof in de toekomst."

Wanneer zonlicht wordt geabsorbeerd door pigmentmoleculen in een chloroplast, er wordt een geactiveerd elektron gegenereerd dat van molecuul naar molecuul gaat door een transportketen totdat het uiteindelijk de omzetting van koolstofdioxide in koolhydraatsuikers stimuleert. Deze elektronentransportketen wordt een "Z-schema" genoemd omdat het bewegingspatroon lijkt op de letter Z op zijn kant. Yang en zijn collega's gebruiken ook een Z-schema in hun systeem, alleen gebruiken ze twee aardse, overvloedige en stabiele halfgeleiders - silicium en titaniumoxide - geladen met co-katalysatoren en met een ohms contact ertussen. Silicium werd gebruikt voor de waterstofgenererende fotokathode en titaniumoxide voor de zuurstofgenererende fotoanode. De boomachtige architectuur werd gebruikt om de prestaties van het systeem te maximaliseren. Als bomen in een echt bos, de dichte reeksen kunstmatige nanodraadbomen onderdrukken zonlichtreflectie en bieden meer oppervlakte voor brandstofproducerende reacties.

"Bij belichting worden foto-geëxciteerde elektron-gatparen gegenereerd in silicium en titaniumoxide, die verschillende gebieden van het zonnespectrum absorberen, Yang zegt. "De door foto gegenereerde elektronen in de silicium nanodraden migreren naar het oppervlak en reduceren protonen om waterstof te genereren, terwijl de door foto gegenereerde gaten in de titaniumoxide nanodraden water oxideren om zuurstofmoleculen te ontwikkelen. De meerderheidsladingsdragers van beide halfgeleiders recombineren bij het ohmse contact, het voltooien van de estafette van het Z-schema, vergelijkbaar met die van natuurlijke fotosynthese."

Onder gesimuleerd zonlicht, dit geïntegreerde op nanodraad gebaseerde kunstmatige fotosynthesesysteem behaalde een efficiëntie van 0,12 procent zonne-naar-brandstofconversie. Hoewel vergelijkbaar met sommige natuurlijke fotosynthetische conversie-efficiënties, deze snelheid zal aanzienlijk moeten worden verbeterd voor commercieel gebruik. Echter, het modulaire ontwerp van dit systeem zorgt ervoor dat nieuw ontdekte individuele componenten gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd om de prestaties te verbeteren. Bijvoorbeeld, Yang merkt op dat de fotostroomuitvoer van de siliciumkathodes van het systeem en de titaniumoxideanoden niet overeenkomen, en dat de lagere fotostroomuitvoer van de anodes de algehele prestaties van het systeem beperkt.

"We hebben een aantal goede ideeën om stabiele fotoanodes te ontwikkelen met betere prestaties dan titaniumoxide, " zegt Yang. "We zijn ervan overtuigd dat we in de nabije toekomst titaniumoxideanodes zullen kunnen vervangen en de energieconversie-efficiëntie zullen opdrijven tot eencijferige percentages."