Koper siert het Vrijheidsbeeld, maakt stevig, betaalbare bedrading, en helpt ons lichaam om ijzer te absorberen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Duke University willen koper gebruiken om zonlicht en water om te zetten in een chemische brandstof.

Het omzetten van zonne-energie in opslagbare brandstof blijft een van de grootste uitdagingen van de moderne chemie. Een van de manieren waarop scheikundigen hebben geprobeerd de kracht van de zon te vangen, is door watersplitsing, waarin de atomen van H2O worden afgebroken, zodat de waterstof kan worden verzameld en als brandstof kan worden gebruikt. Planten doen dit van nature door fotosynthese, en gedurende een halve eeuw, wetenschappers hebben geprobeerd dat proces na te bootsen door te sleutelen aan chemische katalysatoren die door zonlicht zijn gestart.

Indiumtinoxide (ITO) is een materiaal dat ze vaak hebben geprobeerd te gebruiken. Onderzoekers geven er de voorkeur aan vanwege zijn transparantie - waardoor zonlicht doorlaat en de watersplitsingsreacties veroorzaakt - en zijn vermogen om elektriciteit te geleiden. Maar ITO is verre van een ideaal materiaal.

"Indium is niet erg overvloedig, " zei Ben Wiley, assistent-professor scheikunde aan de Duke University. "Het is in overvloed vergelijkbaar met zilver in de aardkorst." Als resultaat, zonne-brandstofcellen die ITO gebruiken, zullen waarschijnlijk duur blijven en niet concurrerend met conventionele energiebronnen zoals steenkool en aardgas, hij zei.

Wiley's lab heeft iets gemaakt waarvan ze hopen dat het ITO kan vervangen:koperen nanodraden samengesmolten in een doorzichtige film. Het team, inclusief twee postdoctorale onderzoekers, een afgestudeerde student, en een voormalig afgestudeerde student van Duke - publiceerden vorige maand hun nieuwe aanpak in het scheikundetijdschrift Angewandte Chemie .

Koper is 1000 keer overvloediger en 100 keer goedkoper dan indium. Koperen nanodraadkatalysatoren kosten ook minder om te produceren dan hun ITO-tegenhangers omdat ze in vloeibare inktvorm op stukjes glas of plastic kunnen worden "gedrukt", met behulp van een machine die veel als een drukpers functioneert. ITO-productie, daarentegen, vereist grote, opeenvolgende kamers van pompen en vacuüms die een dunne laag indiumatomen in een veel langzamer tempo afzetten.

De koperen nanodraadfilms bestaan ​​uit netwerken van microscopisch kleine metalen staafjes, de eigenschappen en toepassingen die Wiley's lab jarenlang heeft bestudeerd. De nanodraden bieden een groot oppervlak voor het katalyseren van chemie, en Wiley's team experimenteerde met het coaten ervan in kobalt- of nikkelmetalen die dienen als de eigenlijke chemische katalysator. Zelfs met een laagje kobalt of nikkel, de nanodraadfilms laten bijna zeven keer meer zonlicht door dan ITO. De films zijn ook flexibel, Wiley stelde zich voor dat de voltooide brandstofcellen op een dag aan rugzakken of auto's zouden worden bevestigd.

Ondertussen, technische en scheikundige uitdagingen blijven bestaan. De nanodraadfilms voeren slechts de helft van de watersplitsingsvergelijking uit, een proces dat wateroxidatie wordt genoemd. De andere helft van de reactie omvat het gebruik van de elektronen verkregen uit wateroxidatie om water te reduceren tot waterstof. Het team van Wiley verwacht komend jaar hun werk over dit proces te publiceren.

"Veel groepen werken aan het samenstellen van complete apparaten om brandstoffen uit zonlicht te maken, " hij zei, maar "de efficiëntie en kosten van deze systemen moeten worden verbeterd voordat ze tot commerciële [productie] kunnen komen."

Wiley merkte op dat de productie van zonne-energie slechts één toepassing is van de koperen nanodraadfilms die ze bestuderen. De nanodraden zijn ook veelbelovend voor gebruik in flexibele aanraakschermen, organische LED (of OLED) verlichting en slim glas.