Maszyny Fotosyntezy Doładowuje energii słonecznej do konwersji paliwa wodorowego

Globalny wzrost gospodarczy wiąże się z rosnącym zapotrzebowaniem na energię, ale zwiększenie produkcji energii może być wyzwaniem. Ostatnio naukowcy osiągnęli rekordową wydajność konwersji energii słonecznej na paliwo, a teraz chcą włączyć maszynerię fotosyntezy, aby popchnąć ją dalej.

Naukowcy zaprezentują swoje wyniki dzisiaj (17 sierpnia 2020) na Targach Wirtualnych American Chemical Society (ACS) Jesień 2020. ACS organizuje spotkanie do czwartku. Oferuje ponad 6000 prezentacji na wiele tematów naukowych.

„Chcemy wyprodukować system fotokatalityczny, który wykorzystuje światło słoneczne do napędzania reakcji chemicznych o znaczeniu środowiskowym”, mówi dr Lilac Amirav, główny badacz projektu.

W szczególności jej grupa w Izraelskim Instytucie Technologii projektuje fotokatalityk, który może rozbić wodę na paliwo wodorowe. „Kiedy umieszczamy nanocząsteczki w kształcie pręta w wodzie i świecimy na nich światłem, generują one dodatnie i ujemne ładunki elektryczne”, mówi Amirav. „Cząsteczki wody pękają; ujemne ładunki wytwarzają wodór (redukcję), a ładunki dodatnie wytwarzają tlen (utlenianie). Te dwie reakcje, obejmujące pozytywne i negatywne opłaty, muszą mieć miejsce jednocześnie. Bez skorzystania z opłat dodatnich, ujemne opłaty nie mogą być kierowane do produkcji pożądanego wodoru.”

Jeśli pozytywne i negatywne ładunki, które są przyciągane do siebie, udaje się ponownie połączyć, anulują się nawzajem, a energia jest tracona. Aby upewnić się, że ładunki są wystarczająco daleko od siebie, zespół zbudował unikalne heterostruktury składające się z kombinacji różnych półprzewodników, wraz z katalizatorami metali i tlenku metalu. Korzystając z systemu modelowego, zbadali reakcje redukcji i utleniania oddzielnie i zmienili heterostrukturę w celu optymalizacji produkcji paliwa.

W 2016 roku zespół zaprojektował heterostrukturę z kulistą krotą kwantową kadmu-selenek osadzoną w kawałku siarczku kadmu w kształcie pręta. Platynowa metalowa cząstka znajdowała się na końcu. Cząstka kadmu-selenku przyciągała ładunki dodatnie, podczas gdy ujemne ładunki nagromadziły się na czubku. „Dostosowując rozmiar kropki kwantowej i długość pręta, a także inne parametry, osiągnęliśmy 100% konwersję światła słonecznego na wodór z redukcji wody”, mówi Amirav. Jedna nanocząsteczka fotokatantalityk może wytwarzać 360 000 cząsteczek wodoru na godzinę, zauważa.

Grupa opublikowała swoje wyniki w czasopiśmie ACS Nano Letters. Ale w tych eksperymentach badali tylko połowę reakcji (zmniejszenie). Dla prawidłowego funkcjonowania układ fotokatalityczny musi obsługiwać zarówno reakcje redukcyjne, jak i utleniające. „Nie konwertowaliśmy jeszcze energii słonecznej w paliwo”, mówi Amirav. „Nadal potrzebowaliśmy reakcji utleniania, która nieustannie dostarczałaby elektronów do kropki kwantowej.” Reakcja utleniania wody występuje w wieloetapowym procesie, a w rezultacie pozostaje znaczącym wyzwaniem. Ponadto jego produkty uboczne wydają się zagrażać stabilności półprzewodnika.

Wraz ze współpracownikami grupa zbadała nowe podejście – poszukiwanie różnych związków, które mogłyby być utleniane zamiast wody – co doprowadziło ich do benzylaminy. Naukowcy odkryli, że mogą wytwarzać wodór z wody, jednocześnie przekształcając benzylaminę w benzaldehyd. „Dzięki tym badaniom przekształciliśmy proces z fotokatalizy w fotosyntezę, czyli prawdziwą konwersję energii słonecznej w paliwo”, mówi Amirav. System fotokatalityczny wykonuje prawdziwą konwersję energii słonecznej do przechowywania wiązań chemicznych, z maksymalnie 4,2% efektywności konwersji energii słonecznej do chemicznej. „Ta liczba ustanawia nowy rekord świata w dziedzinie fotokatalizy i podwaja poprzedni rekord”, zauważa. „Departament Energii USA zdefiniował 5-10% jako „praktyczny próg wykonalności” do wytwarzania wodoru poprzez fotokatalizę. W związku z tym znajdujemy się u progu opłacalnej ekonomicznie konwersji energii słonecznej na wodór.”

Te imponujące wyniki zmotywowały naukowców, aby sprawdzić, czy istnieją inne związki z wysokiej konwersji słonecznej do chemicznej. W tym celu zespół wykorzystuje sztuczną inteligencję. Dzięki współpracy naukowcy opracowują algorytm wyszukiwania struktur chemicznych w poszukiwaniu idealnego związku produkującego paliwo. Ponadto badają sposoby poprawy swojego fotosystemu, a jednym ze sposobów może być czerpanie inspiracji z natury. Kompleks białkowy w błonach komórkowych roślin, który składa się z obwodów elektrycznych fotosyntezy, został z powodzeniem połączony z nanocząsteczkami. Amirav mówi, że ten sztuczny system do tej pory okazał się owocny, wspierając utlenianie wody, zapewniając jednocześnie fotoprąd niż jest 100 razy większy niż produkowany przez inne podobne systemy.