Illustration av det artificiella fotosyntessystemet som använder en grafenbaserad fotokatalysator för att producera myrsyra från koldioxid under synligt ljus. Bildkredit:Yadav, et al. ©2012 American Chemical Society
(Phys.org) -- Genom att omvandla solljus till kemisk energi, artificiella fotosyntessystem kan potentiellt producera förnybara, icke-förorenande bränslen och kemikalier för en mängd olika användningsområden. Men att utveckla en effektiv process för omvandling av solenergi till bränsle har visat sig vara extremt utmanande. Även om forskare har visat genomförbarheten av artificiell fotosyntes, att uppnå en hög effektivitet har visat sig vara svårare.
I en ny studie, ett team av forskare från Korea Research Institute of Chemical Technology i Daejon, Sydkorea, och Ewha Womans University i Seoul, Sydkorea, har visat att grafen kan fungera som en effektiv fotokatalysator för att förbättra effektiviteten hos ett artificiellt fotosyntessystem. Som fotokatalysator, grafen använder solljus för att stimulera reaktionen utan att själv bli inblandad.
Som forskarna förklarar, en bra fotokatalysator för ett sådant system bör fungera i det synliga ljusspektrumet, eftersom 46 % av den totala solljusenergin på jorden är i det synliga området och endast 4 % i UV-området. Tidigare studier har experimenterat med grafen-halvledarkompositer som fotokatalysatorer, men resultaten visade att dessa material hade låga elektronöverföringsnivåer, vilket ledde till låg verkningsgrad.
I den nya studien, forskarna använde grafen ensamt som fotokatalysator, som de sedan kopplade till ett porfyrinenzym. Forskarna visade att detta material kunde omvandla solljus och koldioxid till myrsyra, en kemikalie som används i plastindustrin och som bränsle i bränsleceller. Tester visade att den grafenbaserade fotokatalysatorn är mycket funktionell i det synliga ljuset, och att dess totala effektivitet är betydligt högre än effektiviteten hos andra fotokatalysatorer.
3D-struktur av den grafenbaserade fotokatalysatorn som används för artificiell fotosyntes. Bildkredit:Yadav, et al. ©2012 American Chemical Society
"Det fotokatalysator-enzymkopplade systemet är ett av de mest idealiska artificiella fotosyntessystemen som använder solenergi för syntes av olika kemikalier och bränsle, ” berättade medförfattaren Jin-Ook Baeg vid Korea Research Institute of Chemical Technology Phys.org . "För praktisk användning av foto-bioreaktorns artificiella fotosyntesprocess, en av de mest utmanande uppgifterna är sökandet efter ett mycket effektivt synligt ljusaktivt material som fungerar som en fotokatalysator i NADH-regenereringssystemet och utlöser enzymatisk produktion av solkemikalier/solbränsle från CO 2 . Som ett steg mot detta mål, vi rapporterar syntesen av ett nytt grafenbaserat synligt ljusaktivt material som en fotokatalysator av fotobioreaktorsystemet för en effektiv artificiell fotosyntetisk produktion av myrsyra från CO 2 .”
För att förstå ursprunget till den förbättrade fotokatalytiska aktiviteten, forskarna undersökte fotokatalysatorn med spektroskopi, termisk analys, och mikroskopitekniker. De fann att materialet har goda elektronöverföringsförmåga, och grafens stora yta hjälper till att påskynda de kemiska reaktionerna i omvandlingsprocessen.
Möjligheten att producera solbränsle direkt från CO 2 har tillämpningar inte bara för bränsleceller och plast, men även inom läkemedelsindustrin.
"Som en av de starka praktiska fördelarna med systemet, den kan också användas för tillverkning av skräddarsydda finkemikalier med solenergi, " sa Baeg. "Till exempel, kirala 2-amino-1-aryletanolderivat är en mycket viktig mellanprodukt av många typer av mycket dyra kirala läkemedel. Det kan enkelt syntetiseras av vårt fotokatalysator-enzymkopplade artificiella fotosyntessystem helt enkelt med hjälp av solenergi. Vi gör för närvarande forskningen för att utveckla det fotokatalysator-enzymkopplade artificiella fotosyntessystemet för skräddarsydda kirala solkemikalier. Resultaten kommer att publiceras inom en snar framtid. Därför, denna uppsats visar inte bara ett riktmärke för det grafenbaserade materialet som används som fotokatalysator i allmän artificiell fotosyntes, men också riktmärket för det selektiva produktionssystemet för solkemikalier/solbränsle direkt från CO 2 .”
Copyright 2012 Phys.org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.
