Att säkra tillräckligt med energi för att möta mänskliga behov är en av de största utmaningarna som samhället någonsin har ställts inför. Tidigare pålitliga källor – olja, gas och kol – försämrar luftkvaliteten, förödande land och hav och förändra den bräckliga balansen i det globala klimatet, genom utsläpp av CO2 och andra växthusgaser. Under tiden, jordens snabbt industrialiserande befolkning beräknas nå 10 miljarder år 2050. Rena alternativ är en fråga av akut nödvändighet.

Forskare vid ASU:s Biodesign Center for Applied Structural Discovery utforskar ny teknik som kan bana väg för rengöring, hållbar energi för att möta en skrämmande global efterfrågan.

I ny forskning som visas i Journal of the American Chemical Society ( JACS ), ACS flaggskeppstidning, huvudförfattare Brian Wadsworth, tillsammans med kollegorna Anna Beiler, Diana Khusnutdinova, Edgar Reyes Cruz, och motsvarande författare Gary Moore beskriver teknologier som kombinerar ljussamlande halvledare och katalytiska material som kan utföra kemiska reaktioner som producerar rent bränsle.

Den nya studien utforskar det subtila samspelet mellan de primära komponenterna i sådana enheter och skisserar en teoretisk ram för att förstå de underliggande bränslebildande reaktionerna. Resultaten föreslår strategier för att förbättra effektiviteten och prestandan hos sådana hybridteknologier, för dem ett steg närmare kommersiell lönsamhet.

Produktionen av väte och minskade former av kol med hjälp av dessa tekniker skulle en dag kunna ersätta fossila bränslekällor för ett brett utbud av råvaror med reducerad koldioxid, inklusive bränslen, plast och byggmaterial.

"I detta speciella arbete har vi utvecklat system som integrerar ljusfångnings- och omvandlingsteknologier med kemikaliebaserade energilagringsstrategier, säger Moore, som är biträdande professor vid ASU:s skola för molekylära vetenskaper. Istället för direkt generering av elektricitet från solljus, denna nya typ av teknologi använder solenergi för att driva kemiska reaktioner som kan producera bränsle, som lagrar solens energi i kemiska bindningar. "Det är där katalys blir extremt viktigt. Det är kemin att kontrollera både reaktionernas selektivitet och de övergripande energikraven för att driva dessa transformationer, " säger Moore.

Något nytt under solen

En av de mest attraktiva källorna för hållbar, kolneutral energiproduktion är både gammal och riklig:solljus. Verkligen, antagandet av solenergiteknik har tagit betydande fart under de senaste åren.

Fotovoltaiska (PV) enheter, eller solceller, samla solljus och omvandla energin direkt till elektricitet. Förbättrade material och sänkta kostnader har gjort solceller till ett attraktivt energialternativ, särskilt i soldränkta stater som Arizona, med stora solpaneler som täcker flera hektar som kan driva tusentals hem.

"Men det räcker inte att bara ha tillgång till solenergi med solceller, " konstaterar Moore. Många förnybara energikällor som solljus och vindkraft är inte alltid tillgängliga, så lagring av intermittenta källor är en viktig del av all framtida teknik för att möta globala mänskliga energibehov i stor skala.

Som Moore förklarar, att låna en sida från naturens handbok kan hjälpa forskare att utnyttja solens strålningsenergi för att generera hållbara bränslen. "En sak är klar, " säger Moore. "Vi kommer sannolikt att fortsätta använda bränslen som en del av vår energiinfrastruktur under överskådlig framtid, speciellt för applikationer som involverar mark- och lufttransport. Det är där den bioinspirerade delen av vår forskning blir särskilt relevant – att titta till naturen för att få tips om hur vi kan utveckla ny teknik för att producera bränslen som är kolfria eller neutrala."

Solenergi

Ett av naturens mer imponerande knep involverar användningen av solljus för att producera energirika kemikalier, en process som bemästrades för miljarder år sedan av växter och andra fotosyntetiska organismer. "I denna process, ljus absorberas, och energin används för att driva en serie komplexa biokemiska omvandlingar som i slutändan producerar den mat vi äter och, över långa geologiska tidsskalor, bränslena som driver vårt moderna samhälle, " säger Moore.

I den aktuella studien, gruppen analyserade nyckelvariabler som styr effektiviteten av kemiska reaktioner som används för att producera bränsle genom olika konstgjorda anordningar. "I det här pappret, vi har utvecklat en kinetisk modell för att beskriva samspelet mellan ljusabsorption vid halvledarytan, laddningsmigrering inom halvledaren, laddningsöverföring till vårt katalysatorskikt och sedan det kemiska katalyssteget, sa Wadsworth.

Modellen som gruppen utvecklade är baserad på ett liknande ramverk som styr enzymbeteende, känd som Michaelis-Menten kinetik, som beskriver förhållandet mellan enzymatiska reaktionshastigheter och det medium i vilket reaktionen sker (eller substrat). Här, denna modell tillämpas på tekniska enheter som kombinerar ljusupptagande halvledare och katalytiska material för bränslebildning.

"Vi beskriver de bränslebildande aktiviteterna för dessa hybridmaterial som en funktion av ljusintensiteten och även potentialen, " säger Wadsworth. (Liknande kinetiska modeller av Michaelis-Menten-typ har visat sig användbara för att analysera sådana fenomen som antigen-antikroppsbindning, DNA-DNA hybridisering, och protein-protein-interaktion.)

Vid modellering av systemets dynamik, gruppen gjorde en överraskande upptäckt. "I detta speciella system är vi inte begränsade av hur snabbt katalysatorn kan driva den kemiska reaktionen, " säger Moore. "Vi är begränsade av förmågan att leverera elektroner till den katalysatorn och aktivera den. Det är relaterat till ljusintensiteten som träffar ytan. Brian, Anna, Diana, och Edgar har visat i sina experiment att en ökning av ljusintensiteten ökar hastigheten för bränslebildning."

Upptäckten har konsekvenser för den framtida designen av sådana enheter med sikte på att maximera deras effektivitet. "Att bara lägga till mer katalysator till ytan av hybridmaterialet resulterar inte i högre bränsleproduktion. Vi måste överväga de ljusabsorberande egenskaperna hos den underliggande halvledaren, vilket i sin tur tvingar oss att tänka mer på valet av katalysator och hur katalysatorn samverkar med den ljusabsorberande komponenten."

stråle av hopp

Mycket arbete återstår att göra innan sådana sol-till-bränsle-lösningar är redo för bästa sändningstid. Att göra teknologier som dessa praktiska för mänskliga krav kräver effektivitet, överkomliga priser och stabilitet. "Biologiska sammansättningar har förmågan att självreparera och reproducera; tekniska sammansättningar har varit begränsade i denna aspekt. Det är ett område där vi kan lära oss mer av biologi, " säger Moore.

Uppgiften kunde knappast vara mer angelägen. Den globala efterfrågan på energi förväntas öka från cirka 17 terawatt idag till svindlande 30 terawatt i mitten av seklet. Förutom betydande vetenskapliga och tekniska hinder, Moore betonar att djupgående politiska förändringar också kommer att vara väsentliga. "Det finns en verklig fråga om hur vi ska möta våra framtida energibehov. Om vi ​​ska göra det på ett miljömedvetet och jämlikt sätt, det kommer att kräva ett seriöst politiskt engagemang."

Den nya forskningen är ett steg på den långa vägen mot en hållbar framtid. Gruppen noterar att deras resultat är viktiga eftersom de sannolikt är relevanta för ett brett spektrum av kemiska omvandlingar som involverar ljusabsorberande material och katalysatorer. "De viktigaste principerna, särskilt samspelet mellan belysningsintensitet, ljusabsorption och katalys bör gälla även för andra material, " säger Moore.