Ученые Национальной лабораторией Министерства энергетики Брукхейвенской США удвоили эффективность химического Комбо, который захватывает свет и разбивает молекулы воды, поэтому строительные блоки могут быть использованы для производства водородного топлива. Их исследования, был выбран в качестве Американского химического общества «Выбор редакции», который будет показан на покрытии журнала физической химии С, обеспечивает платформу для разработки революционных улучшений в так называемый искусственный фотосинтез — лаборатории на основе имитации естественного процесса, направленных на получение экологически чистой энергии из солнечного света.
В естественном процессе фотосинтеза зеленые растения используют солнечный свет для преобразования воды (H2O) и углекислого газа (CO2) в углеводов, таких как сахар и крахмал. Энергию от солнечных лучей хранятся в химические связи, удерживающие вместе молекулы.
Много искусственных стратегии фотосинтеза начать искать способы использования света для расщепления воды на составляющие водород и кислород, так и водород в дальнейшем могут быть объединены с другими элементами-идеально углерод из углекислого газа, чтобы топливо. Но даже получая атомы водорода рекомбинируют в качестве чистого газообразного водорода (Н2) — это шаг в сторону солнечных батареях экологически чистого топлива нового поколения.
Чтобы добиться расщепления воды, ученые изучают широкий спектр поглощающей свет молекулы (также называется, или красители хромофорами) в сочетании с химическими катализаторами, которые могут раздвинуть воды очень сильный водородно-кислородных связей. Новый подход использует молекулярный «тросы» — простые углеродные цепи, которые имеют высокое сродство друг к другу — для присоединения хромофора к катализатору. Тросы удерживают частицы достаточно близко друг к другу для передачи электронов от катализатора к хромофор — важный шаг для активации катализатора, но держит их достаточно далеко друг от друга, электроны не прыгать назад на катализатор.
«Электроны движутся быстро, но химические реакции протекают значительно медленнее. Поэтому, чтобы дать время системе для воды-расщепление реакция на происходящие без электронов, движущихся обратно к катализатору, вы должны разделить эти обвинения», — пояснил Брукхейвенской лаборатории химик Хавьер-Консепсьон, который вел проект.
В завершения установки, хромофоры (привязанный к катализатору) внедряются в слой наночастиц на электроде. Каждая наночастица состоит из сердечника из диоксида олова (sno2) в окружении диоксида титана (TiO2) оболочки. Эти различные компоненты обеспечивают эффективную, поэтапно двигаясь электронов продолжать тянуть отрицательно заряженных частиц от катализатора и отправке их туда, где они необходимы для того чтобы сделать топливо.
Вот как это работает от начала до конца: свет падает хромофора и дает электрону достаточно толчка, чтобы отправить его из хромофора на поверхности наночастиц. Оттуда электрон движется в наночастицы ядро, а потом из электрода через провод. Между тем, хромофора, потеряв один электрон, тянет электрона из катализатора. Пока есть свет, этот процесс повторяется, посылая электроны текут от катализатора к хромофора наночастицам, чтобы провода.
Каждый раз, когда катализатор теряет четыре электрона, он будет активирован с достаточно большой положительный заряд, чтобы украсть четыре электрона от двух молекул воды. Что разрушает водород и кислород отдельно. Кислород из пузырьков газа (в натуральном фотосинтеза, как растения делают кислород, которым мы дышим!) в то время как атомы водорода (ныне ионы, потому что они являются положительно заряженными) диффундируют через мембрану в другой электрод. Там они рекомбинируют с электронами осуществляется по провод для того чтобы произвести водород — топливо!
Опираясь на опыт
Группа в Брукхейвене уже попробовал более раннюю версию этого хромофора-катализатора установки, где светопоглощающего красителя и частиц катализатора были связаны гораздо более тесно, чем с прямыми химическими связями вместо тросов.
«Это было очень трудно сделать, принимая многие этапы синтеза и очистки, и потребовалось несколько месяцев, чтобы заставить молекулы,» сказал Консепсьон. «И что хорошего в конце концов.»
В отличие от крепления тросов углеродной цепочки для обеих молекул позволяет им самостоятельно собрать.
«Вы просто опустите электрод с покрытием хромофоров в растворе, в котором катализатор приостанавливается и тросов на двух типов молекул друг с другом и связь», — сказал Стони Брук университет, аспирант Лей Ван, соавтор по текущему бумаги и ведущий автор на бумаге, опубликованном ранее в этом году, что описано самостоятельной сборки стратегии.
Новый документ включает в себя данные, показывающие, что система с привязным соединения значительно более устойчивы, чем напрямую связанные компоненты, и получили удвоенный ток-количество электронов, проходящего через систему.
«Чем больше электронов, генерируемые в свет, тем более у вас есть для создания водородного топлива», — сказал Консепсьон.
Ученые также измерили количество кислорода, производимого.
«Мы обнаружили, что эта система, используя видимый свет, способен достичь невероятно эффективно для легких-управляемое расщепление воды», — сказал Консепсьон.
Но есть все еще комната для улучшения, отметил он. «То, что мы сделали на данный момент работает в водород. Но мы хотели бы перейти к созданию более высокой стоимости углеводородного топлива». Теперь, когда у них есть система, где они могут легко менять компоненты и экспериментировать с другими переменными, они намерены изучить возможности.
«Одним из наиболее важных аспектов этой установки является не только производительность, но и простота сборки,» Консепсьон сказал.
«Потому что эти сочетания хромофоры и катализаторы так легко сделать, и ремни дают нам столько контроля над расстоянием между ними, теперь мы можем изучать, например, что оптимальное расстояние. И мы можем проводить эксперименты, комбинируя различные хромофоры и катализаторов, не имея для этого много сложный синтез, чтобы найти лучшие комбинации,» сказал он. «Универсальность этого подхода позволит нам делать фундаментальные исследования, которые не были бы возможны без этой системы».
Это исследование финансировалось Управлением энергетики и науки был проведен в сотрудничестве с учеными из Альянса для разработки молекулярных Фотоэлектрода для солнечных топливом EFRC, офис ДОУ Научно исследовательский центр Энерджи Фронтиер в Университете Северной Каролины, Чапел-Хилл. Исследователи Университета Северной Каролины представили ядро-оболочка наночастиц. Дизайн и синтез системы были сделаны в Брукхейвенской лаборатории; временные кинетики и исследования фотоелектрохимия проводились в UNC.
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!