Den genomsnittliga globala energiförbrukningen för transportbränslen är för närvarande flera terawatt (1 terawatt =10 ¹² Joule) per sekund. En stor vetenskaplig lucka för att utveckla en teknologi för solbränslen som kan ersätta fossila resurser med förnybara är skalbarhet på en aldrig tidigare skådad terawattnivå. Faktiskt, den enda befintliga tekniken för att göra kemiska föreningar på terawattskalan är naturlig fotosyntes.

De två reaktionerna som krävs för att slutföra fotosyntescykeln - CO2-reduktion och H2O-oxidation - äger rum i inkompatibla miljöer, så de måste vara fysiskt åtskilda av en barriär. Men, för att processen ska bli effektiv, avståndet mellan de två ska vara så kort som möjligt – på nanometerskalan. Naturliga fotosyntetiska system åstadkommer detta mycket väl, men det innebär en teknisk utmaning för att tillverka artificiella fotosystem baserade på denna design, förklarade Heinz Frei, en senior forskare vid Biosciences avdelning för Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB).

Frei samarbetade med Eran Edri, en tidigare postdoktor i MBIB nu vid Ben-Gurion University, och Shaul Aloni på Molecular Foundry, en DOE Office of Science User Facility. De utvecklade en tillverkningsmetod för att göra ett konstgjort fotosystem i kvadrattumsstorlek, i form av en oorganisk kärna-skal nanorörsuppsättning, som implementerar denna designprincip för första gången. "Denna prestation är möjlig tack vare den unika synergin av biofysiska, kemisk, och nanomaterialexpertis hos MBIB, på så sätt bidra till divisionens vetenskapliga framsteg mot att lösa en stor nationell utmaning inom energi, sa Frei.

Metoden, beskrivs i en tidning som publicerades tidigare i år i ACS Nano , använder en kiselstavarray som mall i kombination med atomskiktsavsättning och kryoetsningstekniker för att ge kontroll över komponenternas karakteristiska längdskalor över åtta storleksordningar. Medan arrayen tillverkas på makroskalan, diametern på enskilda rör är några hundra nanometer och väggtjockleken några tiotals nanometer.

De inre ytorna på nanorören av koboltoxid tillhandahåller den katalytiska platsen för H2O-oxidation, som är separerade från ljusabsorbatorn och platser för CO2-reduktion på utsidan av ett ultratunt tätfasskikt av kiseldioxid. Den senare fungerar som en protonledande, O2-ogenomträngligt membran. Något överraskande var upptäckten att, trots till synes inkompatibla syntesförhållanden, det var verkligen möjligt att montera en solid oxidbaserad konstruktion i nanoskala med inbäddade "mjuka" organiska molekylära ledningar för elektronledning och sluta med alla komponenter intakta, noterade Frei.

Nanorörsmatrisen ger en grund för utvecklingen av skalbara tekniska solbränslesystem som är lämpliga för utplacering på rikliga, icke åkermark.