(Phys.org) — I kölvattnet av de nyktra nyheterna att atmosfärisk koldioxid nu är på den högsta nivån på minst tre miljoner år, ett viktigt framsteg i kapplöpningen om att utveckla koldioxidneutrala förnybara energikällor har uppnåtts. Forskare vid U.S. Department of Energy (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har rapporterat det första helt integrerade nanosystemet för artificiell fotosyntes. Medan "konstgjorda blad" är den populära termen för ett sådant system, nyckeln till denna framgång var en "konstgjord skog".

"I likhet med kloroplasterna i gröna växter som utför fotosyntes, vårt konstgjorda fotosyntetiska system består av två halvledarljusabsorbenter, ett gränssnittsskikt för laddningstransport, och rumsligt separerade samkatalysatorer, " säger Peidong Yang, en kemist vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, som ledde denna forskning. "För att underlätta uppdelning av solvatten i vårt system, vi syntetiserade trädliknande nanotrådsheterostrukturer, bestående av kiselstammar och titanoxidgrenar. Visuellt, arrayer av dessa nanostrukturer påminner mycket om en konstgjord skog."

Yang, som också har anställningar med University of California Berkeleys kemiavdelning och institutionen för materialvetenskap och teknik, är motsvarande författare till en artikel som beskriver denna forskning i tidskriften Nanobokstäver . Uppsatsen har titeln "Ett fullt integrerat nanosystem av halvledarnanotrådar för direkt solarvattendelning." Medförfattare är Chong Liu, Jinyao Tang, Hao Ming Chen och Bin Liu.

Solteknik är de idealiska lösningarna för koldioxidneutral förnybar energi – det finns tillräckligt med energi i en timmes globala solljus för att tillgodose alla mänskliga behov under ett år. Artificiell fotosyntes, där solenergi direkt omvandlas till kemiska bränslen, anses vara en av de mest lovande solenergiteknikerna. En stor utmaning för artificiell fotosyntes är att producera väte tillräckligt billigt för att konkurrera med fossila bränslen. För att möta denna utmaning krävs ett integrerat system som effektivt kan absorbera solljus och producera laddningsbärare för att driva separata vattenreduktions- och oxidationshalvreaktioner.

"I naturlig fotosyntes producerar energin från absorberat solljus energiserande laddningsbärare som utför kemiska reaktioner i separata regioner av kloroplasten, " säger Yang. "Vi har integrerat vår heterostruktur i nanotråd i nanoskala i ett funktionellt system som efterliknar integrationen i kloroplaster och ger en konceptuell plan för bättre omvandlingseffektivitet från sol till bränsle i framtiden."

När solljus absorberas av pigmentmolekyler i en kloroplast, en strömförsörjd elektron genereras som rör sig från molekyl till molekyl genom en transportkedja tills den slutligen driver omvandlingen av koldioxid till kolhydratsocker. Denna elektrontransportkedja kallas ett "Z-schema" eftersom rörelsemönstret liknar bokstaven Z på sin sida. Yang och hans kollegor använder också ett Z-schema i sitt system, bara de använder två jordnära och stabila halvledare – kisel och titanoxid – laddade med samkatalysatorer och med en ohmsk kontakt insatt mellan dem. Kisel användes för den vätealstrande fotokatoden och titanoxid för den syrealstrande fotoanoden. Den trädliknande arkitekturen användes för att maximera systemets prestanda. Som träd i en riktig skog, de täta uppsättningarna av konstgjorda nanotrådsträd dämpar solljusreflektion och ger mer yta för bränsleproducerande reaktioner.

"Vid belysning genereras fotoexciterade elektron-hålpar i kisel och titanoxid, som absorberar olika delar av solspektrumet, " säger Yang. "De fotogenererade elektronerna i kiselnanotrådarna migrerar till ytan och reducerar protoner för att generera väte medan de fotogenererade hålen i titanoxidnanotrådarna oxiderar vatten för att utveckla syremolekyler. Majoriteten av laddningsbärarna från båda halvledarna rekombinerar vid den ohmska kontakten, slutföra reläet för Z-schemat, liknande den för naturlig fotosyntes."

Under simulerat solljus, detta integrerade nanotrådsbaserade konstgjorda fotosyntessystem uppnådde en 0,12-procentig omvandlingseffektivitet från solenergi till bränsle. Även om det är jämförbart med vissa naturliga fotosyntetiska omvandlingseffektiviteter, denna hastighet måste förbättras avsevärt för kommersiellt bruk. Dock, den modulära designen av detta system gör att nyupptäckta individuella komponenter lätt kan integreras för att förbättra dess prestanda. Till exempel, Yang noterar att fotoströmutgången från systemets kiselkatoder och titanoxidanoder inte matchar, och att den lägre fotoströmutgången från anoderna begränsar systemets totala prestanda.

"Vi har några bra idéer för att utveckla stabila fotoanoder med bättre prestanda än titanoxid, " säger Yang. "Vi är övertygade om att vi kommer att kunna ersätta titanoxidanoder inom en snar framtid och öka energiomvandlingseffektiviteten till ensiffriga procentsatser."