研究人员开发了第一个完全集成的纳米系统进行人造光合作用

时间：2021-09-04 17:25:01 来源：

示意图显示了在Si纳米线（灰色）的上半部分上生长的TiO2纳米线（蓝色）和太阳光谱的两个吸收不同区域。插入在半导体 -− 电解质界面上分离的光屏蔽电子孔对，以在助催化剂（黄色和灰色点）的帮助下进行水分裂。

伯克利实验室的研究人员已经开发出用于人造光合作用的第一个完全集成的纳米系统。

在令人发狂的消息之后，大气二氧化碳现在处于至少300万年的最高水平，已经实现了开发碳中性可再生能源的重要进展。与美国能源部（DOE）的劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的科学家们报告了第一个完全集成的人造光合作用纳米系统。虽然“人工叶子”是这样一个系统的流行术语，但这种成功的关键是“人工林”。

“类似于进行光合作用的绿色植物中的叶绿体，我们的人造光合系统由两个半导体光吸收器，用于电荷输送的界面层，以及空间分离的助催化剂组成，”伯克利实验室的材料的化学家佩德东杨说科学部门，谁领导了这项研究。“为了促进我们的系统中的太阳水分裂，我们合成树状纳米线异质结构，由硅树干和氧化钛分支组成。在视觉上，这些纳米结构的阵列非常类似于人工林。“

杨某还享受加州大学伯克利化学部门和材料科学与工程系的约会，是一篇文章，描述了纳米信件中的这项研究的论文。本文标题为“用于直接太阳能分裂的半导体纳米线完全集成的纳米系统”。共同作者是冲刘，金瑶堂，郝明辰和斌刘。

太阳能技术是碳中性可再生能源的理想解决方案 - 在一小时的全球阳光下有足够的能量，以满足一年的所有人类需求。人工光合作用，太阳能直接转化为化学燃料，被认为是太阳能技术最有前途的一种。人造光合作用的主要挑战是生产足够良好的氢以与化石燃料竞争。符合这一挑战需要一个集成系统，可以有效地吸收阳光，并产生电荷载体，以驱动分离的水还原和氧化半反应。

“在天然光合作用中，吸收阳光的能量产生激励电荷载体，在叶绿体的单独区域中执行化学反应，”杨说。“我们已经将纳米线纳米级异质结构整合到模仿叶绿体中的整合的功能系统中，并为未来提供了更好的太阳能转换效率的概念蓝图。”

当在叶绿体中的颜料分子吸收阳光时，产生通电电子，其通过运输链从分子移动到分子，直到最终它驱动二氧化碳转化为碳水化合物糖。这种电子传输链称为“Z形方案”，因为运动模式类似于其侧面的字母Z。杨和他的同事们在其系统中也使用Z-scheme，只有它们部署了两种土壤丰富和稳定的半导体 - 硅和氧化钛，含有辅助催化剂，并在它们之间插入欧姆接触。硅用于氢气产生光电阴极和氧化钛用于氧生成光电沸秒。树状架构用于最大化系统的性能。像真正的森林里的树木一样，人工纳米线树的致密阵列抑制了阳光反射，为燃料产生反应提供更多的表面积。

由Si树干和TiO2分支组成的树状纳米线阵列促进了完全综合的人造光合系统中的太阳能分裂。

“在照明时，在−硅和氧化钛中产生照片激发的电子孔对，其吸收太阳光谱的不同区域，”杨说。“硅纳米线中的光生电电子迁移到表面并减少质子以产生氢，而氧化钛纳米线中的光产生的孔将水氧化以演变氧分子。来自两个半导体的多数电荷载体在欧姆接触处重组，完成Z方案的继电器，类似于天然光合作用。“

在模拟阳光下，这种基于纳米线的人工光合作用系统实现了0.12％的太阳能 - 燃料转换效率。虽然与某些天然光合转换效率相比，但这种速率必须大大改善商业用途。然而，该系统的模块化设计允许新发现的算法组件容易地纳入以提高其性能。例如，杨注意到系统的硅阴极和氧化钛阳极的光电流输出不匹配，并且阳极的较低光电流的输出限制了系统的整体性能。

“我们有一些好的想法来开发比氧化钛更好的性能，”杨说。““我们相信我们将能够在不久的将来替换氧化钛阳极，并将能量转换效率推入单位百分比。”

这项研究得到了美国能源部科学办公室的支持。

出版物：Chong Liu等，“用于直接太阳能分裂的半导体纳米线完全集成的纳米系统，”纳米租赁。，2013; DOI：10.1021 / nl401615t.

图片：劳伦斯·伯克利国家实验室

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