Forskaren Heinz Frei har ägnat decennier åt att bygga en konstgjord version av en av naturens mest eleganta och effektiva maskiner:bladet.

Frei, och många andra forskare runt om i världen, försöka använda fotosyntes-den solljusdrivna kemiska reaktionen som gröna växter och alger använder för att omvandla koldioxid (CO ₂ ) till mobilbränsle - för att generera de typer av bränsle som kan driva våra hem och fordon. Om den nödvändiga tekniken kunde förfinas efter teoretiska modeller och prototyper i laboratorieskala, denna månskottidé, känd som artificiell fotosyntes, har potential att generera stora källor till helt förnybar energi med överskott av CO ₂ i vår atmosfär.

Med deras senaste framsteg, Frei och hans team vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) stänger nu in detta mål. Forskarna har utvecklat ett artificiellt fotosyntessystem, gjord av nanoserade rör, som verkar kunna utföra alla viktiga steg i den bränslegenererande reaktionen.

Deras senaste tidning, publicerad i Avancerade funktionella material , visar att deras design möjliggör ett snabbt flöde av protoner från rörets inre utrymme, där de genereras från splittrande vattenmolekyler, utåt, där de kombineras med CO ₂ och elektroner för att bilda bränslet. Det bränslet är för närvarande kolmonoxid, men teamet arbetar för att tillverka metanol. Snabbt protonflöde, vilket är viktigt för att effektivt utnyttja solljusenergi för att bilda ett bränsle, har varit en törn i sidan av tidigare artificiella fotosyntessystem.

Nu när teamet har visat hur rören kan utföra alla fotosyntetiska uppgifter individuellt, de är redo att börja testa hela systemet. Den enskilda enheten i systemet kommer att vara små fyrkantiga "solbränsleplattor" (flera tum på en sida) som innehåller miljarder av nanoskalrör som ligger mellan ett golv och tak av tunna, något flexibelt silikat, med röröppningarna genomborrade genom dessa lock. Frei hoppas att hans grupps plattor kan vara de första som hanterar de stora hindren som fortfarande står inför denna typ av teknik.

"Det finns två utmaningar som ännu inte har mötts, sa Frei, som är seniorvetare i Berkeley Labs biovetenskapsområde. "En av dem är skalbarhet. Om vi ​​vill behålla fossila bränslen i marken, vi måste kunna producera energi i terawatts - en enorm mängd bränsle. Och, du måste göra ett flytande kolvätebränsle så att vi faktiskt kan använda det med miljarder dollar av befintlig infrastruktur och teknik. "

Han noterade att när en modell som uppfyller dessa krav är gjord, bygga en solbränsle gård av många enskilda brickor kan gå snabbt. "Vi, som grundforskare, måste leverera en kakel som fungerar, med alla frågor om dess prestation avgjord. Och ingenjörer inom industrin vet hur man ansluter dessa plattor. När vi har räknat ut kvadratcentimeter, de kommer att kunna göra kvadratkilometer. "

Hur det fungerar

Varje liten (cirka 0,5 mikrometer bred), ihåligt rör inuti plattan är gjord av tre lager:ett inre lager av koboltoxid, ett mellanlager av kiseldioxid, och ett yttre lager av titandioxid. I rörets inre lager, energi från solljus som levereras till koboltoxiden delar vatten (i form av fuktig luft som strömmar genom insidan av varje rör), producerar fria protoner och syre.

"Dessa protoner strömmar enkelt igenom till det yttre lagret, där de kombineras med koldioxid för att bilda kolmonoxid nu - och metanol i ett framtida steg - i en process som aktiveras av en katalysator som stöds av titandioxidskiktet, sa Won Jun Jo en postdoktor och första författare till tidningen. "Bränslet samlas i utrymmet mellan rören, och kan enkelt tömmas ut för insamling. "

Viktigt, rörets mittskikt håller syret som produceras från vattenoxidation i rörets inre, och blockerar koldioxiden och de utvecklande bränslemolekylerna på utsidan från att tränga in i det inre, därigenom separerar de två mycket inkompatibla kemiska reaktionszonerna.

Denna design efterliknar faktiska levande fotosyntetiska celler, som separerar oxidations- och reduktionsreaktioner med organiska membranfack inuti kloroplasten. I linje med naturens ursprungliga plan, lagets membranrör gör att den fotosyntetiska reaktionen kan inträffa på mycket kort avstånd, minimera energiförlusten som uppstår när joner reser och förhindra oavsiktliga kemiska reaktioner som också skulle sänka systemets effektivitet.

"Detta arbete är en del av Berkeley Labs åtagande att bidra med lösningar på de brådskande energiutmaningar som klimatförändringen innebär, "sa Frei." Den tvärvetenskapliga karaktären av uppgiften kräver bredden av expertis och stora faciliteter som är unika för Berkeley Lab. Särskilt, molekylärgjuteriets nanofabrikations- och avbildningsfunktioner är avgörande för att syntetisera och karakterisera de ultratunna skikten och göra kvadrattumstora matriser av ihåliga nanorör. "