从阳光下提取干净燃料的新技术

新研究中描述的实验光电子细胞的图像。这种与能够产生清洁燃料的化学反应的聚光聚集半导体和催化材料的技术相结合。

确保足够的能量以满足人类需求是社会曾经面临的最大挑战之一。以前可靠的来源 - 石油，天然气和煤炭正在降低空气质量，毁灭性的土地和海洋，并通过释放二氧化碳和其他温室气体来改变全球气候的脆弱平衡。同时，到2050年，地球迅速的工业化人口预计将达到100亿。清洁替代品是一个迫切需要的问题。

ASU的应用结构发现的研究人员正在探索新技术，可以为清洁，可持续的能量铺平，以帮助满足艰巨的全球需求。

在新的研究中出现在美国化学学会（JACS）中，旗舰ACS期刊，领先作者Brian Wadsworth，以及同事安娜熊师，戴安娜·赫斯诺维娃，埃德加雷耶斯克鲁斯，以及相应的作者加里摩尔介绍了结合的技术光聚集的半导体和能够产生清洁燃料的化学反应的催化材料。

Gary Moore是ASU分子科学学院应用结构结构发现和助理教授的生物阶段核实中心的研究员。

新的研究探讨了这些设备的主要组件的微妙相互作用，并概述了理论框架，以了解潜在的燃料形成反应。结果表明了提高这些混合技术的效率和性能的策略，使它们更接近商业可行性。

这些技术生产氢气和减少碳形式的碳可能是一天，用于广泛的碳商品，包括燃料，塑料和建筑材料。

“在这项特殊的工作中，我们一直在开发通过基于化学的能量存储策略整合光捕获和转换技术的系统，”摩尔说，摩尔人，他是阿苏分子科学学院的助理教授。这种新的技术，而不是直接从阳光直接产生电力，而是使用太阳能来推动能够生产燃料的化学反应，该化学反应将太阳的能量存储在化学键中。“那是催化变得非常重要的地方。摩尔说，它是控制反应选择性和驱动这些转变的整体能量要求的化学性化学。“

在阳光下新的东西

可持续的最具吸引力的碳中性能源生产来源之一是古老而丰富的：阳光。实际上，近年来，通过太阳能技术的采用已经取得了显着的动力。

光伏（PV）器件，或太阳能电池，聚集阳光，将能量直接转化为电力。改进的材料和降低成本使Photovoltaics成为一种有吸引力的能量选择，特别是在像亚利桑那州这样的太阳湿透的状态，大型太阳阵列覆盖了多个亩，能够推动成千上万的家庭。

“但只需使用光伏电压访问太阳能是不够的，”摩尔音符。许多可再生能源，如阳光和风电并不总是可用的，因此间歇性资源的存储是任何未来技术的关键部分，以满足大规模的全球人类能源需求。

正如摩尔解释的那样，从自然的手册中借用页面可以帮助研究人员利用太阳的辐射能量来产生可持续燃料。“有一件事很清楚，”摩尔说。“我们可能会继续使用燃料作为可预见的未来能源基础设施的一部分，特别是对于涉及地面和空运的应用。这就是我们研究的生物淘汰部分的地方尤为相关 - 寻求大自然的暗示，即如何开发如何为碳自由或中性制造燃料制定新技术。“

太阳能风格

自然界之一更令人印象深刻的技巧涉及使用阳光来生产富能量的化学品，这是植物和其他光合生物数十亿年前掌握的过程。“在这个过程中，光被吸收，能量用于推动一系列复杂的生化转变，最终产生我们吃的食物，并且在长期的地质时间尺度上，培养了我们现代社会的燃料，”摩尔说。

Brian Wadsworth是第一个应用结构发现的研究员，是新研究的主要作者。

在目前的研究中，该组分析了通过各种人造装置产生燃料的化学反应效率的关键变量。“本文在本文中，我们开发了一种动力学模型来描述半导体表面的光吸收之间的相互作用，半导体内的电荷迁移，电荷转移到我们的催化剂层，然后是化学催化剂步骤”，说Wadsworth。

该组的模型基于类似的框架治疗酶行为，称为Michaelis-Menten动力学，其描述了酶反应速率与发生反应的培养基（或底物）之间的关系。这里，该模型应用于组合光收集半导体和燃料形成催化材料的技术装置。

“我们描述了这些混合材料的燃料形成活性，作为光强度的函数，也是潜力，”Wadsworth说。（类似的MICHAELIS-MENTEN型动力学模型已被证明可用于分析这种现象作为抗原 - 抗体结合，DNA-DNA杂交和蛋白质 - 蛋白质相互作用。）

在为系统的动态建模中，该组令人惊讶的发现。“在这种特殊的系统中，我们不受催化剂可以推动化学反应的速度的限制，”摩尔说。“我们受到将电子传递给该催化剂并激活它的能力的限制。与撞击表面的光强度有关。Brian，Anna，Diana和Edgar已经在他们的实验中显示，增加光强度增加了燃料形成速率。“

该发现对未来的这种设备的设计有影响，以最大化其效率。“只需将更多的催化剂添加到混合材料表面上不会导致更大的燃料生产率。我们需要考虑支撑半导体的光吸收特性，这反过来迫使美国更多关于催化剂的选择以及催化剂如何与光吸收组分接触。“

希望之光

在此类太阳能到燃料解决方案准备好粉末时，仍有许多工作仍有很多工作。制造如此实用的人类需求的技术需要效率，负担能力和稳定性。“生物组合能力具有自我修复和繁殖的能力;在这方面有限的技术组合有限。摩尔说，这是我们可以从生物学中学习更多的领域。“

这项任务几乎不会更加紧迫。全球对能源的需求被预计将于今天从大约17岁的特拉瓦斯膨胀到中期令人震惊的30泰塔瓦。除了重要的科技障碍之外，摩尔还强调了深刻的政策变化也是必不可少的。“我们将如何满足我们未来的能源需求存在真正的问题。如果我们要以环保意识和平等的方式做到这一点，那将采取严峻的政治承诺。“

新的研究是对可持续未来的漫长途径的一步。本集团指出，他们的发现很重要，因为它们可能与涉及光吸收材料和催化剂的各种化学转化相关。“关键原理，特别是照明强度，光吸收和催化之间的相互作用也适用于其他材料，”摩尔说。

参考：“光通量，量子效率和分子改造的光电偶联组件中的匝数频率之间的相互作用”由Brian L. Wadsworth，Anna Mary Bileiler，Diana Khusnutdinova，Edgar A. Reyes Cruz，以及Gary F. Moore，2019年8月28日，美国化学学会杂志。

DOI：10.1021 / Jacs.9b07295