Koppar pryder Frihetsgudinnan, gör robust, överkomliga ledningar, och hjälper våra kroppar att absorbera järn. Nu, forskare vid Duke University skulle vilja använda koppar för att omvandla solljus och vatten till ett kemiskt bränsle.

Att omvandla solenergi till lagringsbart bränsle är fortfarande en av den moderna kemins största utmaningar. Ett av sätten som kemister har försökt fånga solens kraft på är genom vattenklyvning, där H2O-atomerna bryts isär så att vätet kan samlas upp och användas som bränsle. Växter gör detta naturligt genom fotosyntes, och i ett halvt sekel, forskare har försökt att återskapa den processen genom att mixtra med kemiska katalysatorer som startats av solljus.

Indiumtennoxid (ITO) är ett material som de ofta har försökt använda. Forskare föredrar det för dess transparens - som gör att solljus passerar igenom och utlöser de vattensplittrande reaktionerna - och dess förmåga att leda elektricitet. Men ITO är långt ifrån ett idealiskt material.

"Indium är inte särskilt rikligt, sa Ben Wiley, biträdande professor i kemi vid Duke University. "Det liknar i överflöd silver i jordskorpan." Som ett resultat, solbränsleceller som använder ITO kommer sannolikt att förbli dyra och okonkurrenskraftiga med konventionella energikällor som kol och naturgas, han sa.

Wileys labb har skapat något som de hoppas kan ersätta ITO:nanotrådar av koppar smälta samman i en genomskinlig film. Teamet – inklusive två postdoktorala forskare, en doktorand, och en före detta doktorand från Duke – publicerade sin nya metod förra månaden i kemitidningen Angewandte Chemie .

Koppar är 1000 gånger mer rikligt och 100 gånger billigare än indium. Koppar nanotrådskatalysatorer kostar också mindre att tillverka än sina ITO-motsvarigheter eftersom de kan "tryckas" på bitar av glas eller plast i flytande bläckform, med en maskin som fungerar ungefär som en tryckpress. ITO produktion, däremot kräver stora, Sekventiella kammare av pumpar och vakuum som avsätter ett tunt lager av indiumatomer i en mycket långsammare hastighet.

Kopparnanowire-filmerna består av nätverk av mikroskopiska metallstavar, egenskaperna och tillämpningarna som Wileys labb har studerat i åratal. Nanotrådarna ger en stor yta för att katalysera kemi, och Wileys team experimenterade med att belägga dem i antingen kobolt eller nickel - metaller som fungerar som den faktiska kemiska katalysatorn. Även med ett lager av kobolt eller nickel, nanotrådsfilmerna tillåter nästan sju gånger mer solljus att passera än ITO. Filmerna är också flexibla, vilket fick Wiley att föreställa sig att de färdiga bränslecellerna en dag skulle fästas på ryggsäckar eller bilar.

Sålänge, tekniska och kemi utmaningar kvarstår. Nanotrådsfilmerna utför bara hälften av vattenklyvningsekvationen, en process som kallas vattenoxidation. Den andra halvan av reaktionen innebär att man använder elektronerna som erhålls från vattenoxidation för att reducera vatten till väte. Wileys team förväntar sig att publicera sitt arbete med denna process under det kommande året.

"Många grupper arbetar med att sätta ihop kompletta enheter för att generera bränsle från solljus, " han sa, men "effektiviteten och kostnaderna för dessa system måste förbättras för att de ska komma till kommersiell [produktion]."

Wiley noterade att solenergiproduktion bara är en tillämpning av de koppar nanotrådfilmer som de studerar. Nanotrådarna visar också lovande för användning i flexibla pekskärmar, organiska LED (eller OLED) lampor och smart glas.