Forskare är ett steg närmare att bygga ett kolåtervinningssystem som kan skörda solenergi för att effektivt omvandla CO2 och vatten till flytande bränslen. Genom att optimera många delar av systemet, forskarna säger, de kan nu driva två-elektron kemiska reaktioner, ett betydande framsteg jämfört med en-elektronreaktioner, som är energiineffektiva.

Forskningen, redovisas i tidskriften Naturkemi , kommer att hjälpa dem som hoppas hitta ett sätt att omvandla överskott av koldioxid i atmosfären till användbara energikällor, sa University of Illinois kemiprofessor Prashant Jain, som ledde den nya forskningen.

"Forskare tittar ofta på växter för insikt i metoder för att vända solljus, koldioxid och vatten till bränslen, " han sa.

När solenergi träffar växternas blad, det exciterar elektronerna i klorofyll. Dessa exciterade elektroner driver i slutändan kemin som omvandlar koldioxid och vatten till glukos.

"Många av dessa kemiska reaktioner är multiprotoner, multielektronreaktioner, " sa Jain.

Men istället för att förlita sig på biologiskt nedbrytbara växtpigment för att omvandla ljusenergi till kemisk energi, forskare vänder sig till något bättre:elektronrika metallkatalysatorer som guld, som vid specifika ljusintensiteter och våglängder kan överföra fotoexciterade elektroner och protoner till reaktanter utan att degraderas eller förbrukas.

"I vår studie, vi använde sfäriska guldpartiklar som är 13 till 14 nanometer stora, " Sade Jain. "Nanopartiklarna har unika optiska egenskaper, beroende på deras storlek och form."

När den är belagd med en polymer och suspenderad i vatten, till exempel, nanopartiklarna absorberar grönt ljus och reflekterar en djupröd färg. Under lätt excitation, nanopartiklarna överför elektroner till sondmolekyler, som sedan ändrar färg. Detta gör det möjligt för forskare att mäta hur effektivt elektronöverföringsreaktionerna äger rum.

"Forskare har tidigare lyckats använda fotokemi och dessa ljusabsorberande material för att överföra en elektron i taget, " sa Jain. "Men i den nya studien, Vi har identifierat principerna och reglerna och villkoren under vilka en metallnanopartikelkatalysator kan överföra två elektroner åt gången."

Genom att variera intensiteten av laserljus som används i experimenten, Jain och hans kollegor upptäckte att vid fyra till fem gånger intensiteten av solenergi, guldnanopartiklarna i systemet kunde överföra upp till två elektroner åt gången från etanol till en elektronhungrig sond.

Två-elektronreaktioner är mycket att föredra framför en-elektronreaktioner, sa Jain.

"Du behöver ett par elektroner för att skapa en bindning mellan atomer, " sa han. "När du inte tillhandahåller ett par elektroner - och ett par protoner för att neutralisera förlusten av elektroner - slutar du med att du gör fria radikaler, som är mycket reaktiva och kan bakreagera, slösa bort energin du använde för att skapa dem. De kan också reagera med andra kemikalier eller förstöra din katalysator."

Jain drog också slutsatsen att de senaste experimenten som hans labb utförde med samma system också innebar multielektron, multiprotonöverföringar. I dessa experiment, hans labb omvandlade CO2 till etan, en tvåkolsförening som är mer energirik än metan, som bara innehåller ett kol. Jain och hans kollegor hoppas på att så småningom kunna generera propan, som har en ryggrad med tre kol, och butan, som har fyra.

"Från kemins synvinkel, det är intressant att förstå reglerna för att binda samman kolatomer, " sa Jain. "Överför mer än en elektron åt gången, aktivering av mer än en koldioxidmolekyl åt gången på ytan av nanopartikelkatalysatorn kan ge oss tillgång till högre kolväten."

Även om de nya rönen utgör ett viktigt steg framåt, mycket mer arbete måste göras innan denna teknik är redo att användas och skalas upp för att möta nuvarande utmaningar, sa Jain.

"Det är fortfarande en lång väg att gå. Jag tror att vi kommer att behöva minst ett decennium för att hitta praktisk CO2-bindning, CO2-fixering, bränslebildningstekniker som är ekonomiskt genomförbara, ", sa han. "Men varje insikt i processen förbättrar den takt med vilken forskarsamhället kan röra sig."