束缚化学组合可以彻底改变人工光合作用

美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家们将捕获光和分裂水分子的化学组合的效率提高了一倍，因此这些构件可用于生产氢燃料。他们的研究被选为美国化学学会的“编辑选择”，将刊登在《物理化学杂志 C》的封面*上，为开发所谓的人工光合作用——一种基于实验室的模拟物——的革命性改进提供了一个平台旨在从阳光中产生清洁能源的自然过程。

在自然光合作用中，绿色植物利用阳光将水 (H2O) 和二氧化碳 (CO2) 转化为碳水化合物，例如糖和淀粉。来自阳光的能量储存在将这些分子结合在一起的化学键中。

许多人工光合作用策略首先寻找利用光将水分解成其成分氢和氧的方法，因此氢可以随后与其他元素(理想情况下是二氧化碳中的碳)结合来制造燃料。但即使是让氢原子重组为纯氢气 (H2)，也是朝着太阳能清洁燃料发电迈出的一步。

为了实现水的分解，科学家们一直在探索各种吸光分子(也称为发色团或染料)与可以撬开水非常强的氢氧键的化学催化剂配对。新方法使用分子“系链”——相互之间具有高亲和力的简单碳链——将发色团连接到催化剂上。系绳将粒子保持得足够近，以将电子从催化剂转移到生色团——这是激活催化剂的重要步骤——但使它们保持足够远的距离，以使电子不会跳回催化剂。

“电子移动得很快，但化学反应要慢得多。因此，要让系统有时间进行水分解反应，而电子不会返回催化剂，你必须分离这些电荷，”布鲁克海文实验室的化学家哈维尔解释说领导该项目的康塞普西翁。

在完整的设置中，发色团(拴在催化剂上)嵌入电极上的一层纳米颗粒中。每个纳米颗粒都由一个二氧化锡 (SnO2) 核心组成，该核心被二氧化钛 (TiO2) 外壳包围。这些不同的组件提供有效的、逐步的电子穿梭，以不断将带负电的粒子从催化剂中拉出，并将它们送到需要它们制造燃料的地方。

以下是它从头到尾的工作原理：光照射生色团并给予电子足够的震动以将其从生色团发送到纳米颗粒的表面。电子从那里移动到纳米粒子核心，然后通过导线离开电极。同时，失去一个电子的发色团从催化剂中拉出一个电子。只要有光，这个过程就会重复，将电子从催化剂流向发色团，再到纳米粒子再到导线。

每次催化剂失去四个电子时，它就会被足够大的正电荷激活，从而从两个水分子中窃取四个电子。这将氢和氧分开。氧气以气体的形式冒泡(在自然光合作用中，植物就是这样制造我们呼吸的氧气!)，而氢原子(现在是离子，因为它们带正电)通过膜扩散到另一个电极。在那里，它们与电线携带的电子重新结合，产生氢气——燃料!

以经验为基础

Brookhaven 团队尝试了这种发色团催化剂装置的早期版本，其中吸光染料和催化剂颗粒通过直接化学键而不是系链更紧密地连接。

“这很难做到，需要许多合成和纯化步骤，而且制造分子需要几个月的时间，”康塞普西翁说。“而最后的表现并没有那么好。”

相反，将碳链系链连接到两个分子上可以让它们自组装。

“你只需将涂有发色团的电极浸入溶液中，在溶液中悬浮催化剂，两种分子上的系链会相互找到并连接起来，”石溪大学研究生、本研究的合著者王磊说。今年早些时候发表的一篇描述自组装策略的论文的论文和主要作者。

新论文包含的数据显示，具有系留连接的系统比直接连接的组件要稳定得多，并且它产生的电流量是流过系统的电子数量的两倍。

“你从进入的光中产生的电子越多，你就越有可能产生氢燃料，”康塞普西翁说。

科学家们还测量了产生的氧气量。

“我们发现这个系统，使用可见光，能够达到光驱动水分解的显着效率，”康塞普西翁说。

但他指出，仍有改进的空间。“到目前为止，我们所做的工作是制造氢气。但我们希望转向制造价值更高的碳氢燃料。”现在他们有了一个系统，可以轻松地交换组件并尝试其他变量，他们准备探索各种可能性。

“这种设置最重要的方面之一不仅是性能，而且是易于组装，”康塞普西翁说。

“因为这些发色团和催化剂的组合很容易制造，而且系链让我们可以很好地控制它们之间的距离，现在我们可以研究，例如，最佳距离是多少。我们可以结合不同的发色团进行实验和催化剂，而无需进行太多复杂的合成即可找到最佳组合，”他说。“这种方法的多功能性将使我们能够进行没有这个系统就不可能进行的基础研究。”

这项研究由美国能源部科学办公室资助，并与来自北卡罗来纳大学教堂山分校的美国能源部科学能源前沿研究中心的太阳能燃料分子光电电极设计联盟 EFRC 的科学家合作进行。UNC 科学家提供了核壳纳米粒子。系统的设计和合成在布鲁克海文实验室完成;瞬态动力学和光电化学研究在 UNC 进行。