首个完全整合的人工光合作用纳米系统

2018-12-28 09:31:53
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在大气二氧化碳现已达到至少300万年的最高水平的令人警醒的消息之后,已经实现了开发碳中和可再生能源的竞赛的重要进展。美国能源部(DOE)的劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家报告了第一个完全整合的人工光合作用纳米系统。虽然“人造叶子”是这种系统的流行术语,但成功的关键是“人造林”。

“与进行光合作用的绿色植物中的叶绿体相似,我们的人工光合系统由两个半导体光吸收剂,一个用于电荷传输的界面层和空间分离的助催化剂组成,”伯克利实验室材料化学家Peidong Yang说。科学部负责这项研究。“为了促进我们系统中的太阳能水分裂,我们合成了树状纳米线异质结构,由硅树干和氧化钛分支组成。从视觉上看,这些纳米结构的阵列非常类似于人造森林。”

杨先生还兼任加州大学伯克利分校化学系和材料科学与工程系的任命,是撰写NANO Letters期刊研究论文的通讯作者。该论文的标题是“用于直接太阳能水分解的半导体纳米线的完全集成纳米系统”。共同作者是刘冲,唐金尧,陈浩明和刘斌。

太阳能技术是碳中和可再生能源的理想解决方案 - 在一小时的全球阳光下,有足够的能量来满足人类一年的所有需求。人工光合作用,其中太阳能直接转化为化学燃料,被认为是最有前途的太阳能技术之一。人工光合作用的一个主要挑战是廉价生产氢气以与化石燃料竞争。要应对这一挑战,需要一个能够有效吸收阳光并产生电荷载体的集成系统,以驱动单独的水减少和氧化半反应。

“在自然光合作用中,吸收太阳光的能量产生能量的电荷载体,在叶绿体的不同区域中发生化学反应,”Yang说。“我们将纳米线纳米级异质结构整合到一个功能系统中,模拟叶绿体中的整合,并为未来更好的太阳能到燃料转换效率提供概念蓝图。”

当阳光被叶绿体中的色素分子吸收时,产生的能量电子通过传输链从分子移动到分子,直到最终驱动二氧化碳转化为碳水化合物糖。这种电子传输链被称为“Z-方案”,因为运动模式类似于其侧面的字母Z. 杨和他的同事们也在他们的系统中使用了Z方案,他们只部署了两个地球丰富且稳定的半导体 - 硅和氧化钛 - 装有助催化剂并在它们之间插入欧姆接触。硅用于产氢光电阴极和氧化钛用于产生氧的光阳极。树状架构用于最大化系统的性能。就像真实森林中的树木一样

“在照射时,光激发的电子 - 空穴对在硅和氧化钛中产生,它们吸收太阳光谱的不同区域,”杨说。“硅纳米线中的光生电子迁移到表面并减少质子产生氢气,而氧化钛纳米线中的光生空穴氧化水以释放氧分子。来自两个半导体的大部分电荷载流子在欧姆接触处重新组合,完成Z方案的中继,类似于自然光合作用。“

在模拟太阳光下,这种基于纳米线的综合人工光合作用系统实现了0.12%的太阳能 - 燃料转换效率。尽管与一些天然光合转化效率相当,但是对于商业用途,该速率必须大大提高。然而,该系统的模块化设计允许容易地结合新发现的单个部件以改善其性能。例如,Yang指出,系统的硅阴极和氧化钛阳极的光电流输出不匹配,阳极的较低光电流输出限制了系统的整体性能。

“我们有一些好的想法来开发稳定的光阳极,其性能优于氧化钛,”杨说。“我们相信,我们将能够在不久的将来取代氧化钛阳极,并将能源转换效率提高到个位数百分比。

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