Forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory har fördubblat effektiviteten hos en kemisk kombination som fångar ljus och delar vattenmolekyler så att byggstenarna kan användas för att producera vätebränsle. Deras studie, utvalda som ett American Chemical Society "Editors' Choice" som kommer att visas på omslaget till Journal of Physical Chemistry C , ger en plattform för att utveckla revolutionerande förbättringar av så kallad artificiell fotosyntes – en labbbaserad efterlikning av den naturliga processen som syftar till att generera ren energi från solljus.

I naturlig fotosyntes, gröna växter använder solljus för att omvandla vatten (H ₂ O) och koldioxid (CO ₂ ) till kolhydrater som socker och stärkelse. Energin från solljuset lagras i de kemiska bindningarna som håller ihop dessa molekyler.

Många artificiella fotosyntesstrategier börjar med att leta efter sätt att använda ljus för att dela vatten i dess beståndsdelar, väte och syre, så vätet kan senare kombineras med andra grundämnen - helst kolet från koldioxid - för att göra bränslen. Men även att få väteatomerna att rekombinera som ren vätgas (H ₂ ) är ett steg mot soldriven generering av rent bränsle.

För att uppnå vattendelning, forskare har utforskat ett brett utbud av ljusabsorberande molekyler (även kallade kromoforer, eller färgämnen) tillsammans med kemiska katalysatorer som kan bända isär vattnets mycket starka väte-syrebindningar. Den nya metoden använder molekylära "tethers" - enkla kolkedjor som har hög affinitet för varandra - för att fästa kromoforen till katalysatorn. Tjuderna håller partiklarna tillräckligt nära varandra för att överföra elektroner från katalysatorn till kromoforen - ett viktigt steg för att aktivera katalysatorn - men håller dem tillräckligt långt isär för att elektronerna inte hoppar tillbaka till katalysatorn.

"Elektroner rör sig snabbt, men kemiska reaktioner är mycket långsammare. Så, för att ge systemet tid för vattenuppdelningsreaktionen att äga rum utan att elektronerna flyttar tillbaka till katalysatorn, du måste separera dessa avgifter, " förklarade Brookhaven Lab kemisten Javier Concepcion, som ledde projektet.

I den fullständiga installationen, kromoforerna (bundna till katalysatorn) är inbäddade i ett lager av nanopartiklar på en elektrod. Varje nanopartikel är gjord av en kärna av tenndioxid (SnO2) omgiven av en titandioxid (TiO) ₂ ) skal. Dessa olika komponenter ger effektiva, stegvis shuttling av elektroner för att fortsätta dra de negativt laddade partiklarna bort från katalysatorn och skicka dem dit de behövs för att tillverka bränsle.

Så här fungerar det från början till slut:Ljus träffar kromoforen och ger en elektron tillräckligt med ett skak för att skicka den från kromoforen till ytan av nanopartikeln. Därifrån flyttar elektronen till nanopartikelkärnan, och sedan ut ur elektroden genom en tråd. Under tiden, kromoforen, att ha förlorat en elektron, drar en elektron från katalysatorn. Så länge det är ljus, denna process upprepas, skickar elektroner som flödar från katalysator till kromofor till nanopartikel till tråd.

Varje gång katalysatorn förlorar fyra elektroner, den aktiveras med en tillräckligt stor positiv laddning för att stjäla fyra elektroner från två vattenmolekyler. Det bryter isär väte och syre. Syret bubblar ut som en gas (i naturlig fotosyntes, det är så växter gör syret vi andas!) medan väteatomerna (nu joner eftersom de är positivt laddade) diffunderar genom ett membran till en annan elektrod. Där rekombinerar de med elektronerna som bärs av tråden för att producera vätgas – bränsle!

Bygger på erfarenhet

Brookhaven-teamet hade provat en tidigare version av denna kromofor-katalysatoruppställning där det ljusabsorberande färgämnet och katalysatorpartiklarna var anslutna mycket närmare med direkta kemiska bindningar istället för tjuder.

"Det här var väldigt svårt att göra, ta många steg av syntes och rening, och det tog flera månader att göra molekylerna, ", sa Concepcion. "Och prestationen var inte så bra till slut."

I kontrast, Genom att fästa kolkedjebindningarna på båda molekylerna kan de självmontera.

"Du doppar bara elektroden som är belagd med kromoforerna i en lösning där katalysatorn är suspenderad och bindningarna på de två typerna av molekyler hittar varandra och länkar samman, " sa Stony Brook University doktorand Lei Wang, en medförfattare på den aktuella artikeln och huvudförfattare på en artikel som publicerades tidigare i år som beskrev strategin för självmontering.

Det nya dokumentet innehåller data som visar att systemet med tjudrade anslutningar är betydligt stabilare än de direktanslutna komponenterna, och det genererade dubbelt så mycket ström - antalet elektroner som flödade genom systemet.

"Ju fler elektroner du genererar från ljuset som kommer in, ju mer du har tillgängligt för att generera vätebränsle, " sa Concepcion.

Forskarna mätte också mängden producerat syre.

"Vi upptäckte att detta system, använda synligt ljus, kan uppnå anmärkningsvärda effektivitetsvinster för ljusdriven vattenklyvning, " sa Concepcion.

Men det finns fortfarande utrymme för förbättringar, noterade han. "Det vi har gjort hittills fungerar för att göra väte. Men vi skulle vilja gå över till att göra kolvätebränslen med högre värde." Nu när de har ett system där de enkelt kan byta komponenter och experimentera med andra variabler, de är inställda på att utforska möjligheterna.

"En av de viktigaste aspekterna av den här installationen är inte bara prestandan, men enkel montering, " sa Concepcion.

"Eftersom dessa kombinationer av kromoforer och katalysatorer är så lätta att göra, och tjuden ger oss så mycket kontroll över avståndet mellan dem, nu kan vi studera, till exempel, vad är det optimala avståndet. Och vi kan göra experiment som kombinerar olika kromoforer och katalysatorer utan att behöva göra mycket komplex syntes för att hitta de bästa kombinationerna, " sade han. "Mångsidigheten i detta tillvägagångssätt kommer att tillåta oss att göra grundläggande studier som inte skulle ha varit möjliga utan detta system."