Elektronisk mikroskopisk bild av en nanoskog, eller "3D-grenad nanotrådarray." Grön nyans lagts till för kontrast. Bildkredit:Wang Research Group, UC San Diego Jacobs School of Engineering.
(PhysOrg.com) -- University of California, San Diegos elektriska ingenjörer bygger en skog av små nanotrådsträd för att rent fånga solenergi utan att använda fossila bränslen och skörda den för generering av vätebränsle. Rapportering i journalen Nanoskala , teamet sa nanotrådar, som är gjorda av rikliga naturliga material som kisel och zinkoxid, erbjuder också ett billigt sätt att leverera vätebränsle i massskala.
"Det här är ett rent sätt att generera rent bränsle, sade Deli Wang, professor vid institutionen för elektro- och datorteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering.
Trädens vertikala struktur och grenar är nycklar för att fånga upp den maximala mängden solenergi, enligt Wang. Det beror på att trädens vertikala struktur griper och absorberar ljus medan plana ytor helt enkelt reflekterar det, Wang sa, och tillägger att det också liknar retinala fotoreceptorceller i det mänskliga ögat. I bilder av jorden från rymden, ljus reflekteras från plana ytor som havet eller öknar, medan skogarna ser mörkare ut.
Wangs team har efterliknat denna struktur i deras "3D-grenade nanotrådarray" som använder en process som kallas fotoelektrokemisk vattenuppdelning för att producera vätgas. Vattenklyvning avser processen att separera vatten i syre och väte för att utvinna vätgas som ska användas som bränsle. Denna process använder ren energi utan biprodukt av växthusgaser. Som jämförelse, det nuvarande konventionella sättet att producera väte är beroende av el från fossila bränslen
Genom att skörda mer solljus med hjälp av den vertikala nanoträdstrukturen, Wangs team har utvecklat ett sätt att producera mer vätebränsle effektivt jämfört med plana motsvarigheter där ljus helt enkelt reflekteras från ytan. Bildkredit:Wang Research Group, UC San Diego Jacobs School of Engineering.
"Väte anses vara rent bränsle jämfört med fossilt bränsle eftersom det inte finns några koldioxidutsläpp, men det väte som för närvarande används genereras inte rent, sade Ke Sun, en doktorand i elektroteknik som ledde projektet.
Genom att skörda mer solljus med hjälp av den vertikala nanoträdstrukturen, Wangs team har utvecklat ett sätt att producera mer vätgasbränsle effektivt jämfört med plana motsvarigheter. Wang är också knuten till California Institute of Telecommunications and Information Technology och Material Science and Engineering Program vid UC San Diego.
Den vertikala grenstrukturen maximerar också vätgasuttaget, sa Sun. Till exempel, på den platta breda ytan av en kastrull med kokande vatten, bubblor måste bli stora för att komma upp till ytan. I nanoträdstrukturen, mycket små gasbubblor av väte kan utvinnas mycket snabbare. "Dessutom, med denna struktur, vi har förbättrat, med minst 400, 000 gånger, ytarean för kemiska reaktioner, sa Sun.
I detta experiment, nanotree-elektroder är nedsänkta i vatten och belyses av simulerat solljus för att mäta enhetens eleffekt. Fotokredit:Joshua Knoff, UC San Diego Jacobs School of Engineering.
I det långa loppet, vad Wangs team siktar på är ännu större:artificiell fotosyntes. I fotosyntesen, När växter absorberar solljus samlar de också upp koldioxid (CO 2 ) och vatten från atmosfären för att skapa kolhydrater för att underblåsa sin egen tillväxt. Wangs team hoppas kunna efterlikna denna process för att även fånga CO 2 från atmosfären, minska koldioxidutsläppen, och omvandla det till kolvätebränsle.
"Vi försöker härma vad växten gör för att omvandla solljus till energi, sa Sun. "Vi hoppas inom en snar framtid att vår "nanoträd"-struktur så småningom kan bli en del av en effektiv enhet som fungerar som ett riktigt träd för fotosyntes."
Teamet studerar också alternativ till zinkoxid, som absorberar solens ultravioletta ljus, men har stabilitetsproblem som påverkar livstidsanvändningen av nanoträdstrukturen.
