Global økonomisk vækst kommer med stigende efterspørgsel efter energi, men at øge energiproduktionen kan være udfordrende. For nylig har forskere opnået rekordeffektivitet for sol-til-brændstofkonvertering, og nu ønsker de at inkorporere fotosyntesens maskineri for at skubbe det yderligere.
Forskerne vil præsentere deres resultater i dag ved American Chemical Society (ACS) Virtual Meeting & Expo i efteråret 2020.
"Vi ønsker at fremstille et fotokatalytisk system, der bruger sollys til at drive kemiske reaktioner af miljømæssig betydning," siger Lilac Amirav, Ph. D., projektets hovedefterforsker.
Hendes gruppe ved Israel Institute of Technology designer en fotokatalysator, der kan nedbryde vand til brintbrændstof. "Når vi placerer vores stavformede nanopartikler i vand og skinner lys på dem, genererer de positive og negative elektriske ladninger," siger Amirav. "Vandmolekylerne går i stykker; de negative ladninger producerer brint (reduktion), og de positive ladninger producerer oxygen (oxidation). De to reaktioner, der involverer de positive og negative ladninger, skal foregå samtidigt. Uden at udnytte de positive ladninger, negative ladninger kan ikke dirigeres til at producere det ønskede brint."
Hvis de positive og negative ladninger, som tiltrækkes af hinanden, formår at rekombinere, ophæver de hinanden, og energien går tabt. Så for at sikre, at ladningerne er langt nok fra hinanden, har teamet bygget unikke heterostrukturer bestående af en kombination af forskellige halvledere sammen med metal- og metaloxidkatalysatorer. Ved hjælp af et modelsystem studerede de reduktions- og oxidationsreaktionerne separat og ændrede heterostrukturen for at optimere brændstofproduktionen.
I 2016 designede holdet en heterostruktur med en sfærisk cadmium-selenid-kvanteprik indlejret i et stavformet stykke cadmiumsulfid. En metallisk platinpartikel var lokaliseret ved spidsen. Cadmium-selenid-partiklen tiltrak positive ladninger, mens negative ladninger akkumulerede på spidsen. "Ved at justere størrelsen af kvanteprikken og længden af stangen, såvel som andre parametre, opnåede vi 100 % omdannelse af sollys til brint fra vandreduktion," siger Amirav. En enkelt fotokatalysator-nanopartikel kan producere 360.000 molekyler brint i timen, bemærker hun.
Gruppen offentliggjorde deres resultater i ACS-tidsskriftet Nano Letters. Men i disse eksperimenter studerede de kun halvdelen af reaktionen (reduktionen). For korrekt funktion skal det fotokatalytiske system understøtte både reduktions- og oxidationsreaktioner."Vi konverterede ikke solenergi til brændstof endnu," siger Amirav. "Vi havde stadig brug for en oxidationsreaktion, der konstant ville give elektroner til kvanteprikken." Vandoxidationsreaktionen sker i en flertrinsproces, og som et resultat heraf forbliver en betydelig udfordring. Derudover ser dens biprodukter ud til at kompromittere halvlederens stabilitet.
Sammen med samarbejdspartnere udforskede gruppen en ny tilgang - på udkig efter forskellige forbindelser, der kunne oxideres i stedet for vand - hvilket førte dem til benzylamin. Forskerne fandt ud af, at de kunne producere brint fra vand, mens de samtidig omdannede benzylamin til benzaldehyd. "Med denne forskning har vi transformeret processen fra fotokatalyse til fotosyntese, det vil sige ægte omdannelse af solenergi til brændstof," siger Amirav. Det fotokatalytiske system udfører ægte omdannelse af solenergi til kemiske bindinger, der kan lagres, med et maksimum på 4,2 % sol-til-kemisk energikonverteringseffektivitet."Dette tal etablerer en ny verdensrekord inden for fotokatalyse og fordobler den tidligere rekord," bemærker hun. "Det amerikanske energiministerium definerede 5-10 % som den 'praktiske gennemførlighedstærskel' for generering af brint gennem fotokatalyse. Derfor er vi på dørtrinnet til en økonomisk levedygtig sol-til-brint-konvertering."
Disse imponerende resultater har motiveret forskerne til at se, om der er andre forbindelser med høje sol-til-kemiske omdannelser. For at gøre det bruger holdet kunstig intelligens. Gennem et samarbejde udvikler forskerne en algoritme til at søge kemiske strukturer efter en ideel brændstofproducerende forbindelse. Derudover undersøger de måder at forbedre deres fotosystem på, og en måde kan være at hente inspiration fra naturen. Et proteinkompleks i plantecellemembraner, der omfatter fotosyntesens elektriske kredsløb, blev med succes kombineret med nanopartikler. Amirav siger, at dette kunstige system indtil videre har vist sig frugtbart, og det understøtter vandoxidation, mens det giver en fotostrøm, der er 100 gange større end den, der produceres af andre lignende systemer.
