Global ekonomisk tillväxt kommer med ökande efterfrågan på energi, men att öka energiproduktionen kan vara en utmaning. Nyligen, forskare har uppnått rekordeffektivitet för omvandling av solenergi till bränsle, och nu vill de införliva fotosyntesens maskineri för att driva det vidare. Forskarna kommer att presentera sina resultat idag på American Chemical Society (ACS) Fall 2020 Virtual Meeting &Expo.

"Vi vill tillverka ett fotokatalytiskt system som använder solljus för att driva kemiska reaktioner av betydelse för miljön, " säger Lilac Amirav, Ph.D., projektets huvudutredare.

Specifikt, hennes grupp vid Israel Institute of Technology designar en fotokatalysator som kan bryta ner vatten till vätebränsle. "När vi placerar våra stavformade nanopartiklar i vatten och lyser ljus på dem, de genererar positiva och negativa elektriska laddningar, Amirav säger. "Vattenmolekylerna går sönder; de negativa laddningarna producerar väte (reduktion), och de positiva laddningarna producerar syre (oxidation). De två reaktionerna, involverar positiva och negativa laddningar, måste ske samtidigt. Utan att dra fördel av de positiva avgifterna, de negativa laddningarna kan inte dirigeras för att producera det önskade vätet."

Om de positiva och negativa laddningarna, som attraheras av varandra, lyckas kombinera, de avbryter varandra, och energin går förlorad. Så, för att se till att laddningarna är tillräckligt långt ifrån varandra, teamet har byggt unika heterostrukturer som består av en kombination av olika halvledare, tillsammans med metall- och metalloxidkatalysatorer. Med hjälp av ett modellsystem, de studerade reduktions- och oxidationsreaktionerna separat och ändrade heterostrukturen för att optimera bränsleproduktionen.

2016, teamet designade en heterostruktur med en sfärisk kadmium-selenid-kvantprick inbäddad i en stavformad bit av kadmiumsulfid. En metallisk platinapartikel var lokaliserad vid spetsen. Kadmium-selenidpartikeln drog till sig positiva laddningar, medan negativa laddningar ackumulerades på spetsen. "Genom att justera storleken på kvantpunkten och längden på staven, såväl som andra parametrar, vi uppnådde 100 % omvandling av solljus till väte från vattenreduktion, " säger Amirav. En enda fotokatalysatornanopartikel kan producera 360, 000 molekyler väte per timme, konstaterar hon.

Gruppen publicerade sina resultat i ACS-tidskriften Nanobokstäver . Men i dessa experiment, de studerade bara hälften av reaktionen (reduktionen). För korrekt funktion, det fotokatalytiska systemet måste stödja både reduktions- och oxidationsreaktioner. "Vi omvandlade inte solenergi till bränsle ännu, " Amirav säger. "Vi behövde fortfarande en oxidationsreaktion som kontinuerligt skulle ge elektroner till kvantpunkten." Vattenoxidationsreaktionen sker i en process i flera steg, och som ett resultat förblir en betydande utmaning. Dessutom, dess biprodukter verkar äventyra stabiliteten hos halvledaren.

Tillsammans med samarbetspartners, gruppen utforskade ett nytt tillvägagångssätt – letade efter olika föreningar som kunde oxideras i stället för vatten – vilket ledde dem till bensylamin. Forskarna fann att de kunde producera väte från vatten, samtidigt som bensylamin omvandlas till bensaldehyd. "Med denna forskning, vi har förvandlat processen från fotokatalys till fotosyntes, det är, genuin omvandling av solenergi till bränsle, " säger Amirav. Det fotokatalytiska systemet utför verklig omvandling av solenergi till lagringsbara kemiska bindningar, med maximalt 4,2 % energiomvandlingseffektivitet från sol-till-kemisk energi. "Denna siffra etablerar ett nytt världsrekord inom fotokatalys, och fördubblar det tidigare rekordet, ", konstaterar hon. "U.S.A. Department of Energy definierade 5-10% som den "praktiska genomförbarhetströskeln" för att generera väte genom fotokatalys. Därav, vi står på tröskeln till ekonomiskt lönsam omvandling av sol-till-väte."

Dessa imponerande resultat har motiverat forskarna att se om det finns andra föreningar med höga sol-till-kemiska omvandlingar. Att göra så, teamet använder artificiell intelligens. Genom ett samarbete, forskarna utvecklar en algoritm för att söka kemiska strukturer efter en idealisk bränsleproducerande förening. Dessutom, de undersöker sätt att förbättra sitt fotosystem, och ett sätt kan vara att hämta inspiration från naturen. Ett proteinkomplex i växtcellmembran som omfattar fotosyntesens elektriska kretsar kombinerades framgångsrikt med nanopartiklar. Amirav säger att detta konstgjorda system hittills har visat sig fruktbart, stöder vattenoxidation samtidigt som den ger en fotoström som är 100 gånger större än den som produceras av andra liknande system.