人工光合作用的最新进展:一个隐藏的宝石在替代能源领域的技术

维持地球上的生命,光合作用是最重要的生化反应。在这个过程中,阳光是用来分解水后存储为NADPH / H +和翻译通过ATP合酶ATP。然而,即使是最有效的植物无法存储太阳能的1%以上。因此,许多研究人员一直试图模仿这个反应人为增加效率和吸收更多的光[1]。因为大多数存在的能源(如煤炭、天然气等)被认为是不可持续的从长远来看,对环境有负面影响,更重要的是现在比以往任何时候都找到可持续的,具有成本效益的能源[2]。

在1900年代,意大利科学家Giacomo Ciamician首次开发的想法人工光合作用捕获太阳能使用光化学设备和把它转换成太阳能燃料,可以存储供以后。这一过程旨在利用催化剂和导体捕捉阳光和模拟光合作用过程;然而,这个想法并没有获得太多的关注[3]。另一个早期突破本田和Fujishima报道分裂的可能性水氧化钛的存在使用紫外线激发[4]。之后,在1980年代,一组研究人员开发出一种人工树叶使用薄膜非晶硅多接点单在存在催化剂(氧化钛),然后把水分解成氢和oxygen-later聚合物膜是用于运输的质子。这是第一个尝试开发一种设备,可以利用低成本硅多结电池和工作作为一个“人工叶”的人工光合作用过程[5]。
图1:自然与人工光合作用[6]
近年来,由于对可再生能源的需求增加,人工光合作用已经被世界各地的研究人员调查了。本文报道这个领域的一些重大的进步,这些进步将如何影响未来的可再生能源领域。
人工光合作用使用太阳能电池代替二世叶绿素吸收阳光和人工或有机催化剂把水分解成氢和氧(图1)。这个过程能产生电力和氢燃料[7]。尽管当前光伏电池(PV)用于太阳能电池板使用类似的技术,主要的区别在于存储系统。中使用的PV太阳能电池板直接将能量转化为电能和严重依赖于天气,而光伏电池用于人工光合作用,半导体,可以储存太阳能供以后使用[8]。
有三个重要步骤的人工光合作用设备:聚光/电子交通、水分离,减少二氧化碳。在第一步中,光子的波长400 - 700纳米吸收,这是作为能源进行接下来的步骤。在水分解,吸收光半导体的光激的电子迁移到表面的催化剂并完成氢(氧气)进化半反应。在最后一步中,二氧化碳是减少提高燃料质量(9、10)。加强人工合成工艺的效率,有必要使用材料有优良的机械性能和经济可行性。光敏分子和无机半导体光通常用于收割。
近年来,半导体纳米线获得重大利益,因为他们独特的几何和电子性质。在这些半导体,纳米线降低电化学潜在,用异质结增加光吸收和提高了电荷分离过程[11]。一维半导体纳米线阵列(加内特)加上另一个半导体上创建pn结,如果光子能源预计,内建电场分离带电粒子[12]。这些类型的半导体不仅有效地分离电荷,而且分离不相容的氧化和还原反应[13]。在图2中,内建电势是正面和负面的费用在不同的方向,这将用于水分裂,碳减排措施[11]。
许多研究提出使用硅纳米线(SiNWs)提高光伏电池的性能。然而,有一个垂直对齐的效率之间的争论SiNWs SiNWs倾斜。一项由香港等人设计了一个导体使用倾斜SiNWs和报告的效率33.45%,超过15%的最高效率由垂直对齐的纳米线[14]。这项研究调查了垂直和倾斜SiNWs之间的区别,SiNWs的高度和厚度是1µm报道,40°倾斜角度。光的波长变化从300纳米到1100纳米[14]。结果表明,较短的波长导致更大的吸收,可引起更强的光散射。此外,周期性的SiNWs吸收起着重要作用。如果周期性比波长小得多,那么它会破坏斜SiNWs之间的交互和light-leading可怜的光吸收。研究发现,最优直径/周期性(D / P)比率是0.7,因为反射和传输大幅下降,增加光吸收能力S-SiNWs [14]。在图3中,垂直纳米线相比,SiNWs显示一个光的吸光度高18%,这是由于结构差异,存在四个V-SiNWS镜像对称,S-SiNWs只有一个。 This knowledge can be used to build similar structures using different solar cell materials; however, silicon solar cells have proven to be superior by far compared to others [14].
近年来,研究人员一直在研究摘要催化剂使人工光合作用过程更加有效和节省成本。摘要介绍催化剂的催化析氢反应(她)和氧发生反应(OER)使它成为一个有吸引力的选择水分裂在人工合成[15]。唐等人进行的一项最新研究发现,结晶RuTe2₂光解水制氢研究是一种特殊的催化剂由于其可靠的催化稳定性和低成本。的结晶RuTe2₂报告10 mA / cm²的电流密度,导致一个潜在的只有34个mV在她和OER 275 mV。在这种催化剂,俄文作为主要活性部位,Te是用来安置不同费用[16]。
合成结晶RuTe2₂(RuTe2 - 400),纳米粒子是第一个支持在石墨烯薄膜在微波辐照(图4),和透射电子显微镜显示,纳米粒子固定在石墨烯薄片,和RuTe2 - 400表面有明显的晶格条纹。低温热处理增加了表面积和孔隙度[16]。
rute2 - 400的设计优于现有的其他催化剂由于表面积的增加使得更加活跃网站暴露在电解质和离子扩散渠道开放。现有商业Pt / C催化剂需要实现电流密度为10多101 mV mA / cm²相比rute2 - 400。此外,rute2 - 400报告的最小电荷转移电阻15.14Ω。OER结晶RuTe2展示了改进的性能,不需要激活过程和支出明显更少的能量进行反应过程。稳定性测试展示了稳定性能在一个固定的1.505 V的潜力在碱性溶液后12小时[16]。
在水分解,报道,电荷转移在一个系统的效率(感应电流的产生)收集氢气和氧气大约是100%。2 v的电池电压,电流密度被报道100 mA / cm²,电极也没有经过任何重大改变后20小时循环(图5),使rute2 - 400异常bi-functional催化剂[16]。
另一项研究中提出了使用nitrogen-doped纳米阵列在三维多孔泡沫有限公司(CoP-N /泡沫有限公司)作为双功能催化剂。析氢反应(她的),它报告的电流密度50 mA / cm²时过电压是100 mV, OER,报告过电压是260 mV。这个提议设计可以保持催化稳定超过24小时在腐蚀性环境中,这比大多数现有的催化剂人工光合作用[15]。
在图6中,可以看出,CoP-N / Co泡沫催化系统显著增加氧进化反应(OER) 50 mA只有260 mV过电压。它还展示了优良的催化剂动力学通过确保最小的塔菲尔斜率,而1000次后的电流密度曲线展示了一个稳定的性能[15]。
然而,尽管这些展示一个有前途的催化剂性能的研究仍然是小学,和需要进一步调查项目这些发现在商业环境中。当前催化剂包括Pt很贵,和催化剂使用Ru-based催化剂成本只有¼的Pt-based催化剂[16]。因此,考虑到这些好处,值得投资的资源在这个研究。
商业化人工光合作用的最大挑战之一是缺乏有效的技术来减少二氧化碳。各种研究声称,金属卟啉催化剂是解决这一挑战[17,18,19]。Sinha等人领导的一项研究提出了一个设计,金属组连接到一个羟苯基组和三个其他苯组羟苯基集团是当地一个质子捐赠者(图7)。这项研究强调metal-substituted 5 - (2-hydroxyphenyl) -10, 15日20-triphenylporphyrin (MTPOH、M =锰、铁、Co、镍、铜),ClFeTPOH,活跃的均相催化剂在有机溶剂,减少二氧化碳,一氧化碳[19]。

图7:提出了催化剂和机制[19]

结果展示了一个有前途的未来,ClFeTPOH被证明是一种有效的催化剂在CO2-saturated MeCN + 1米水,产生感应电流的效率和减少96%的二氧化碳,一氧化碳。然而,当使用DMF的解决方案是不同的结果;因此,可以得出结论,减少二氧化碳问题的解决方案。不对称卟啉确保最佳的质子传递和H-bonding[19]属性。

结论

考虑到最近的进展在人工光合作用领域,未来看起来膨胀和承诺。近年来,美国政府的122美元投资也证明了这一领域的有效性[20]。的障碍(例如,缺乏高效的催化剂,商业的设置,生产成本高,等等)仍使未来的发展更有挑战性的工作。然而,最近的研究与提高半导体的性能来提高光吸收和使用不同的催化剂具有成本效益的可能有助于解决这些紧迫的问题。因此,积极的进步大于障碍和人工光合作用技术强调一个可靠的未来。

作者

Raj Shah博士是一位主管克勒仪器公司在纽约,在那里他曾在过去的27年。他是民选的同行在IChemE CMI, STLE, AIC, NLGI, INSTMC,物理研究所能源学院和皇家化学学会的。ASTM鹰奖的获奖者,沙阿博士最近coedited畅销书,“燃料和润滑剂手册”,期待已久的细节可在ASTM的燃料和润滑油手册第二版现在可用(https://bit.ly/3u2e6GY)。他获得了宾夕法尼亚州立大学化学工程博士学位,是一位来自英国特许管理学会、伦敦。Shah博士也是一个特许科学家与科学委员会能源研究所的特许石油工程师和特许工程师工程委员会、英国。沙阿博士最近被授予“杰出工程师”的敬语与τβπ,美国最大的社会工程。他在咨询法明岱尔大学董事会(机械技术),(摩擦学)和奥本大学石溪大学(化学工程/材料科学与工程)。副教授,纽约州立大学石溪分校,在材料科学和化学工程系,拉吉也有超过500的出版物和一直活跃在替代能源行业3年多了。Raj的更多信息可以在https://bit.ly/3sayVgT上找到
Mrinaleni Das女士是一个繁荣的实习项目的一部分在克勒仪器公司和纽约州立大学化学工程专业的学生,石溪,沙阿博士目前外部顾问委员会成员。

引用

1。Dogutan d K。& Nocera, d . g . (2019)。人工光合作用效率大大超过自然的光合作用。账户的化学研究,52 (11),3143 - 3148。
2。阵风,d . (2016)。一个说明性的人工光合作用的历史。在植物研究进展(79卷,页1-42)。学术出版社。
3所示。Armaroli, N。& Balzani诉(2007)。未来的能源供应:挑战和机遇。《应用化学国际版,46 (1 - 2),52 - 66。
4所示。房子,r . L。宫内厅,n . y . M。Coppo, r . L。Alibabaei, L。谢尔曼,b D。康,P。,……&迈耶,t . j . (2015)。人工光合作用:我们现在在哪里?我们可以去哪里?。光化学与光生物学杂志》上的C:光化学评论,25日,32-45。
5。Choudhury, r .(2016年4月)。人工光合作用。https://www.slideshare.net/rohitchoudhury1/artificial -光合作用60352146
6。哈米德,长官。(2018)。化学计量学的光催化燃料生产水醋酸的改革。
7所示。斯拉夫人,即(2020年4月8日)。人工光合作用是可再生能源的圣杯吗?GreenBiz。
8。戴维,t(2016年9月30日)。人工光合作用:我们可以利用太阳的能量以及植物吗?未来的生活。https://futureoflife.org/2016/09/30/artificial-photosynthesis/
9。人工光合作用。(无日期)。Greenage。https://www.thegreenage.co.uk/tech/artificial-photosynthesis/
10。毛,S。&沈,美国(2013年)。促进人工光合作用。自然光子学,7 (12),944 - 946。
11。刘,S。,汉族,C。唐z, R。、徐& y . j . (2016)。用半导体纳米线阵列人工光合作用。材料的视野,3 (4),270 - 282。
12。Bisquert, J。& Garcia-Belmonte, g (2011)。对电压、光电压和光电流散装异质结有机太阳能电池。物理化学杂志上的字母,2 (15),1950 - 1964。
13。刘,Y。他,H。李,J。李,W。杨,Y。李,Y。问:& Chen (2015)。ap-n异质结的制备和增强的光电化学性能财经2 O 4 /我们3纳米复合材料薄膜。RSC进步,5 (120),99378 - 99384。
14。在香港,L。名记,Wang X。郑,H。王,H。& Yu, h (2013)。对于倾斜的硅纳米线阵列的设计指导方针为太阳能电池的应用。应用物理学报,114(8),084303年。
15。刘,Z。Yu, X。雪,H。和冯,l . (2019)。nitrogen-doped警察纳米阵列在三维多孔泡沫有限公司作为整体的高效双官能electrocatalyst水分裂。《材料化学,7 (21),13242 - 13248。
16。唐,B。杨,X。康,Z。和冯,l . (2020)。结晶RuTe2光解水制氢研究作为整体的意想不到的双功能催化剂。应用催化乙:环境、278、119281。
17所示。尼科尔斯,a·W。&狩猎台,c . w . (2019)。Secondary-sphere效应分子electrocatalytic减少二氧化碳。397年化学前沿。
18岁。Gotico, P。、Halime Z。& Aukauloo a (2020)。最近的进步metalloporphyrin-based催化剂设计对减少二氧化碳:从第二次协调领域仿生修改分层架构。道尔顿事务,49 (8),2381 - 2396。
19所示。Sinha, S。&沃伦·j。j (2018)。意想不到的溶剂效应在electrocatalytic二氧化碳转换显示使用非对称金属。无机化学,57 (20),12650 - 12656。
20.Caltech-led团队获得高达1.22亿美元的能源创新中心。(2010年7月7日)。https://web.archive.org/web/20110809044623/http / /media.caltech.edu/press_releases/13365