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从阳光中提取清洁燃料

2019-09-03 16:12:28 来源:

确保足够的能源以满足人类需求是社会面临的最大挑战之一。以前可靠的资源 - 石油,天然气和煤炭 - 通过释放二氧化碳和其他温室气体,降低了空气质量,破坏了陆地和海洋,改变了全球气候的脆弱平衡。与此同时,到2050年,地球的快速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。

亚利桑那州立大学生物设计应用结构发现中心的研究人员正在探索新的技术,这些技术可以为清洁,可持续的能源铺平道路,以帮助满足令人畏惧的全球需求。

在美国化学学会期刊(JACS)的新研究中,ACS的主要期刊,主要作者Brian Wadsworth,以及同事Anna Beiler,Diana Khusnutdinova,Edgar Reyes Cruz和相应的作者Gary Moore描述了结合的技术聚光半导体和能够产生清洁燃料的化学反应的催化材料。

这项新研究探讨了此类装置主要组成部分的微妙相互作用,并概述了理解潜在燃料形成反应的理论框架。结果提出了提高这种混合技术的效率和性能的策略,使它们更接近商业可行性。

通过这些技术生产氢和还原形式的碳有朝一日可以取代化石燃料来源,用于各种减少碳的商品,包括燃料,塑料和建筑材料。

“在这个特殊的工作中,我们一直在开发集成光捕获和转化技术与基于化学的系统能存储策略,”摩尔,谁是在分子科学亚利桑那州立大学学院的助理教授。这种新技术不是直接从太阳光发电,而是利用太阳能驱动能够产生燃料的化学反应,将太阳能储存在化学键中。“这就是催化变得非常重要的地方。控制反应选择性和驱动这些转变的总体能量需求的化学反应,”摩尔说。

在阳光下的新东西

可持续碳中和能源生产最具吸引力的来源之一既古老又丰富:阳光。实际上,近年来采用太阳能技术已经获得了巨大的发展势头。

光伏(PV)设备或太阳能电池聚集太阳光并将能量直接转化为电能。改进的材料和降低的成本使得光伏发电成为一种极具吸引力的能源选择,特别是在像亚利桑那州这样阳光普照的州,大型太阳能电池阵列占地数英亩,能够为数千个家庭提供电力。

“但仅仅使用光伏技术获得太阳能是不够的,”摩尔指出。太阳能和风能等许多可再生能源并不总是可用,因此间歇性能源的存储是未来大规模满足全球人类能源需求的技术的关键部分。

正如摩尔解释的那样,借用自然手册中的一页可以帮助研究人员利用太阳的辐射能量来产生可持续的燃料。“有一点很清楚,”摩尔说。“在可预见的未来,我们可能会继续使用燃料作为我们能源基础设施的一部分,尤其是涉及地面和空中运输的应用。这就是我们研究中生物启发部分变得特别相关的地方 - 寻找大自然的暗示我们如何可能开发生产无碳或中性燃料的新技术。“

太阳能

大自然更令人印象深刻的技巧之一涉及利用阳光来产生富含能量的化学物质,这个过程在数十亿年前被植物和其他光合生物所掌握。“在这个过程中,光被吸收,能量被用来驱动一系列复杂的生化转化,最终产生我们吃的食物,并且在漫长的地质时间尺度上,运行我们现代社会的燃料,”摩尔说。

在目前的研究中,该小组分析了控制用于通过各种人工装置生产燃料的化学反应效率的关键变量。“在本文中,我们开发了一个动力学模型来描述半导体表面的光吸收,半导体内的电荷迁移,电荷转移到催化剂层,然后是化学催化步骤之间的相互作用,”Wadsworth说。

该小组开发的模型基于控制酶行为的类似框架,称为Michaelis-Menten动力学,其描述了酶促反应速率与发生反应的介质(或底物)之间的关系。在这里,该模型应用于结合光捕获半导体和用于燃料形成的催化材料的技术装置。

“我们将这些混合材料的燃料形成活动描述为光强度和潜力的函数,”Wadsworth说。(类似的Michaelis-Menten型动力学模型已被证明可用于分析抗原 - 抗体结合,DNA-DNA杂交和蛋白质 - 蛋白质相互作用等现象。)

在对系统动态进行建模时,该小组发现了令人惊讶的发现。“在这个特殊的系统中,我们不受催化剂驱动化学反应的速度的限制,”摩尔说。“我们受到向该催化剂输送电子并激活它的能力的限制。这与照射到表面的光强度有关.Brian,Anna,Diana和Edgar在他们的实验中表明,增加光强度会增加光速。燃料形成。“

这一发现对此类设备的未来设计具有重要意义,着眼于最大限度地提高效率。“简单地在混合材料表面添加更多催化剂不会导致更高的燃料产生率。我们需要考虑基础半导体的光吸收特性,这反过来又迫使我们更多地考虑催化剂的选择以及如何催化剂与光吸收组分接合。“

希望之光

在此类太阳能燃料解决方案准备好迎接黄金时段之前,还有许多工作要做。使这些技术适用于人类需求需要高效,可负担和稳定。“生物组装具有自我修复和繁殖的能力;技术组装在这方面受到限制。这是我们可以从生物学中学到更多东西的一个领域,”摩尔说。

这项任务很难紧急。预计到本世纪中叶,全球对能源的需求将从目前的17太瓦增加到惊人的30太瓦。除了重大的科技障碍外,摩尔还强调,深刻的政策变革也必不可少。“我们将如何满足未来的能源需求,这是一个真正的问题。如果我们要以环保和平等的方式做到这一点,那么它将采取严肃的政治承诺。”

这项新研究是迈向可持续未来的漫长道路的一步。该小组指出,他们的研究结果很重要,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有关。“关键原则,特别是照明强度,光吸收和催化之间的相互作用也应适用于其他材料,”摩尔说。

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