美研發(fā)出*全集成人工光合作用納米系統(tǒng)

 美研發(fā)出*全集成人工光合作用納米系統(tǒng)

據物理學家組織網5月17日（北京時間）報道，就在媒體大肆喧囂大氣中二氧化碳含量已達到300萬年來zui高值的當下，美國能源部（DOE）勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家們在一期《納米快報》上報告說，他們在開發(fā)碳中和可再生能源技術——*全集成人工光合作用納米系統(tǒng)上取得了重要進展。

　　主持該項研究的伯克利實驗室材料科學部化學家楊培棟（音譯）表示，如果說“人工樹葉”是此類系統(tǒng)的流行語，那此次成功的關鍵就是“人造森林”。與綠色植物中進行光合作用的葉綠體相似，其人工光合系統(tǒng)由兩個半導體光吸收器、一個負責運輸的界面層及空間分離的助催化劑組成。在該系統(tǒng)中，為了促進太陽能水分解，研究人員合成了由硅“樹干”和鈦氧化物“枝杈”組成的納米線異質結構。在視覺上，這些納米結構陣列與人造森林極其相似。

　　太陽能技術是碳中和可再生能源的理想解決方案，一小時的陽光所蘊含的能量足以滿足人類一年所需?？蓪⑻柲苤苯愚D換成化學燃料的人工光合作用系統(tǒng)，被認為是zui有前途的太陽能電池技術。人工光合作用面臨的主要挑戰(zhàn)是生產足夠廉價的氫以同化石燃料進行抗衡。迎接這一挑戰(zhàn)，需要一個集成系統(tǒng)來有效吸收太陽光，并產生電荷來驅動相互分離的水的還原和氧化半反應。

　　楊培棟稱，在自然光合作用中，吸收的日光能源產生帶電載流子，其可在葉綠體的不同區(qū)域執(zhí)行化學反應。新研究將納米線異質結構集成進一個功能系統(tǒng)，以模擬葉綠體中的集成現象，這為未來提高太陽能—燃料的轉換效率提供了概念性藍圖。

　　當太陽光被葉綠體中的色素分子吸收時，產生的帶電電子經由傳輸鏈在分子間移動，直到zui終驅動二氧化碳轉換成糖類。這種電子傳遞鏈被稱為“Z計劃”，因為其一側的運動模式類似于字母“Z”。楊培棟小組也在其系統(tǒng)中采用了“Z計劃”，他們僅使用兩種地球上較為豐裕和穩(wěn)定的半導體材料——硅和鈦氧化物，同時加載助催化劑，并在它們之間插入歐姆觸層。硅用于產氫的光電陰極，鈦氧化物用于產氧的光電陽極。樹狀結構用于zui大限度地提高系統(tǒng)性能。像現實森林中的樹木一樣，人工納米樹的茂密陣列可抑制日光反射，并為產生燃料的反應提供更多的表面。

　　在吸收了不同區(qū)域的太陽光譜后，硅和鈦氧化物中就會產生光激電子——空穴對。硅納米線中的光激電子遷移到表面，并將質子還原成氫，而在鈦氧化物納米線中的光激空穴將水氧化釋出氧分子。來自兩個半導體的大多數載流子在歐姆觸層進行重組，完成類似于自然光合作用的“Z計劃”接力。

　　在模擬日光下，這種基于納米線的集成人工光合作用系統(tǒng)實現了0.12%的太陽能—燃料轉換效率。與某些自然光合轉換效率相比，此效率要用于商業(yè)用途還有待大幅提高。但是，該系統(tǒng)的模塊化設計允許將新發(fā)現的單個組件很容易地納入進來，以提高其性能。

　　研究人員注意到，該系統(tǒng)的硅陰極和鈦氧化物陽極產生的光電流輸出并不匹配，陽極輸出的光電流較低，限制了系統(tǒng)的整體性能。目前，研究人員正在開發(fā)比鈦氧化物表現更好的光電陽極，并有望在不久的將來使能源轉換效率提高到個位數百分比的水平。