模仿太阳能氢燃料的光合作用路径

2019-04-13 11:27:37
来源:

宾夕法尼亚州立大学材料化学家表示,通过模拟光合作用,汽油或喷气燃料的氢气价格便宜,但需要首先解决许多问题。

“我们专注于制造燃料最难的方式,”Evan Pugh材料化学和物理学教授Thomas Mallouk说。“我们正在创造一种模仿光合作用的人工系统,但只有当它与汽油或喷气燃料一样便宜时才会实用。”

将水分解成氢气和氧气可以通过多种方式进行,但大多数都是高能耗的。由此产生的氢气可用于燃料车辆或转化为各种碳氢化合物,其成本不可避免地高于现有的化石燃料。

虽然一些研究人员使用太阳能电池制造电力或使用集中的太阳能来分解水,但Mallouk的工艺直接利用蓝光中的能量。到目前为止,它的效率远低于其他太阳能转换技术。

直接转换的关键是电子。就像植物中天然存在的染料一样,无机染料会吸收阳光,能量会释放出电子。离开它自己,电子将重新组合产生热量,但如果电子可以被引导 - 分子到分子 - 远离它们起源的地方,电子可以到达催化剂并从水中分离氢气。

“目前,我们只获得2%至3%的氢气产量,”Mallouk于2月19日在美国科学促进会年会上告诉与会者。“对于这样的系统有用,我们需要接近100%,”他补充说。

但是电子的重组并不是该过程的唯一问题。系统的放氧端是一个化学破坏球,这意味着系统的寿命目前限制在几个小时。

Mallouk说:“细胞的氧气侧正在形成一种强氧化剂,附近的分子可以被氧化。” “自然光合作用具有相同的问题,但它具有自我修复机制,可定期取代氧气释放复合物及其周围的蛋白质分子。”

到目前为止,研究人员还没有确定氧化的方法,因此它们的催化剂和细胞结构中使用的其他分子最终会降解,从而限制了太阳能燃料电池的寿命。

目前,研究人员只使用蓝光,但想使用来自太阳的整个可见光谱。他们还使用昂贵的组件 - 氧化钛电极,铂黑电极和氧化铱催​​化剂。替换这些是必要的,其他研究人员正在研究解决方案。麻省理工学院正在研究钴和镍催化剂,在耶鲁大学和普林斯顿大学,他们正在研究锰。

“钴和镍的效果不如铱,但它们并不坏,”马洛克说。“钴工作也在向其他机构传播。”

虽然燃料电池的设计结构将许多电子引导至催化剂,但它们中的大多数仍然重新组合,从而将其能量转化为热而不是化学键断裂。Mallouk表示,光系统II中的锰催化剂 - 植物,藻类和光合细菌进化氧的光合作用系统 - 与我们一样慢。光系统II通过使用电子介体分子有效地工作,以确保一旦染料分子通过其电流电子到链中的下一个分子,总是有可用于染料分子的电子。

“我们可以用同样的方式减缓人工系统中的主要重组,”Mallouk说。“从介体到染料的电子转移将有效地超过重组反应。”

目前,该系统一次只使用一个光子,但是双光子系统虽然更复杂,但在使用全光谱时会更有效。

Mallouk现在的主要目标是跟踪细胞中的所有能量通路以了解动力学。一旦他知道这一点,他就可以对细胞进行建模并调整部分以减少能量损失并提高效率。

声明:本站系本网编辑转载,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如涉及作品内容、版权和其它问题,请在30日内与本网联系,我们将在第一时间删除内容!
热门文章
头条推荐