Het gemiddelde wereldwijde energieverbruik van transportbrandstoffen is momenteel enkele terawatt (1 terawatt =10 ¹² Joule) per seconde. Een grote wetenschappelijke lacune bij de ontwikkeling van een technologie voor zonne-energie die fossiele bronnen kan vervangen door hernieuwbare, is schaalbaarheid op het ongekende terawatt-niveau. In feite, de enige bestaande technologie voor het maken van chemische verbindingen op de schaal van terawatt is natuurlijke fotosynthese.

De twee reacties die nodig zijn om de fotosynthesecyclus te voltooien - CO2-reductie en H2O-oxidatie - vinden plaats in onverenigbare omgevingen, dus moeten ze fysiek worden gescheiden door een barrière. Maar, om het proces efficiënt te laten verlopen, de afstand tussen de twee moet zo kort mogelijk zijn - op nanometerschaal. Natuurlijke fotosynthetische systemen doen dit heel goed, maar het vormt een technische uitdaging voor het fabriceren van kunstmatige fotosystemen op basis van dit ontwerp, legde Heinz Frei uit, een senior wetenschapper in de afdeling Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB) van Biosciences.

Frei werkte samen met Eran Edri, een voormalig postdoctoraal fellow in MBIB nu aan de Ben-Gurion University, en Shaul Aloni bij de Molecular Foundry, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Ze ontwikkelden een fabricagemethode om een ​​kunstmatig fotosysteem van vierkante inch te maken, in de vorm van een anorganische kern-schaal nanobuis-array, dat dit ontwerpprincipe voor de eerste keer implementeert. "Deze prestatie wordt mogelijk gemaakt door de unieke synergie van biofysische, chemisch, en nanomaterialen expertise van MBIB, aldus bij te dragen aan de wetenschappelijke vooruitgang van de divisie bij het oplossen van een grote nationale uitdaging op het gebied van energie, ' zei Frei.

De methode, beschreven in een artikel dat eerder dit jaar werd gepubliceerd in ACS Nano , maakt gebruik van een siliciumstaafarray als sjabloon in combinatie met atomaire laagafzetting en cryo-etstechnieken om de karakteristieke lengteschalen van de componenten over acht ordes van grootte te regelen. Terwijl de array op macroschaal wordt gefabriceerd, de diameter van individuele buisjes is enkele honderden nanometers en de wanddikte enkele tientallen nanometers.

De binnenoppervlakken van de kobaltoxide-nanobuisjes vormen de katalytische plaats voor H2O-oxidatie, die zijn gescheiden van de lichtabsorbeerder en plaatsen van CO2-reductie aan de buitenkant door een ultradunne dichte fase silicalaag. Deze laatste werkt als een protongeleidende, O2-ondoordringbaar membraan. Enigszins verrassend was de bevinding dat, ondanks schijnbaar onverenigbare syntheseomstandigheden, het was inderdaad mogelijk om een ​​solide oxide-gebaseerde constructie op nanoschaal samen te stellen met ingebedde "zachte" organische moleculaire draden voor elektronengeleiding en uiteindelijk met alle componenten intact, merkte Frei op.

De nanobuis-array biedt een basis voor de ontwikkeling van schaalbare, geconstrueerde zonnebrandstofsystemen die geschikt zijn voor gebruik op overvloedige, niet-bouwgrond.