人造叶子

利用太阳光分解水分子,形成氢燃料是一种最有前途的战术踢我们的碳的习惯。海莉桦树检查选项

叶子,自然技术取得了一个伟大的壮举。它成功地做科学家,他们所有的复杂的工具,几十年来一直在努力做:使用光来驱动水的分解成它的组成部分的燃料。也许一个概念上简单的想法,但有了整个事业和吸收了数十亿美元的研究经费。

当然,最终的目标是利用丰富的能源,是太阳,地球,帮助我们踢我们的碳习惯。值得记住的是,如果只有1000到达地球的太阳能可以利用,我们仍将有9次我们需要的能量。¹如果太阳的能量可以用来分解水,我们会有氢和氧,可再生燃料可重组在燃料电池中,即使在黑暗中,或在一个阴天,给我们电。

并不是我们没有能力,你可以修复一个光伏电池到电解槽,明天有水分离设备安装——那就是在商业上可行,任何这样的系统不仅要有效地工作,但需要用廉价材料和运行多年。找到这些材料是说起来容易做起来难。

十多年前,约翰·特纳和奥斯卡Khaselev在金色的美国国家可再生能源实验室,科罗拉多州,创建了一个水分离装置通过结合光伏和光电化学技术。²那样的工作,更有效地生产氢四倍比光合作用。与光合作用,然而,他们的系统使用稀有金属和不稳定甚至一天。

“那之后发生了什么?“缪斯·特纳。“在我看来,很少发生了。有很多的研究,很多言论,很多炒作,但在实际的科学进步,甚少。的挑战,然而,仍然存在。

仿生

如果你想尝试人工光合作用,你的第一个停靠港是自然光合作用,对吧?为什么不看看什么叶子,尝试复制吗?但根据加州大学的大卫•布瑞特·戴维斯,即使我们对自然的理解光合作用是粗略的。

布里特的研究小组利用电子顺磁共振(EPR)谱探索生物系统的内在结构。他目前的焦点是氧气演变复杂(OEC) -酶的活性部位复杂的称为光系统II,水氧化催化作用在植物。此前,x射线晶体学技术被用来研究描述。但x射线的问题在于,他们产生光电子,改变光系统的结构,导致一些科学家竞赛现有的晶体结构的准确性。光谱学,布瑞特解释说,是更少的破坏性和可以帮助调查中间氧化态的复杂。

尽管最近的成功描述蛋白质配体协调中央锰OEC的集群,³然而,布里特表示仍然未知。与整体结构的发生了什么——这仍然是相当神秘。当然这是你真正需要了解如果你要设计新系统的工作原理一样自然。

不幸的是,自然有几十亿年的进化的价值在美国,据我们所知,只有想出了一个解决方案。除非我们找到一些错误的地方,我们还不知道,一切都使用相同的四环的,manganese-calcium复杂水分解反应,”他说。

复制叶绿素

因为大自然的蓝图,目前,保密,科学家开发水分离系统不得不拿出自己的设计。氧进化的一部分是,当然,只有一半方程;也有应对的氢。在更深的层次上,这涉及到试图编排的电子的运动,因为他们与水分子之间掠过它的组成元素——两个氧离子需要失去四个多余的电子形成分子分子氧,而相应的四个氢离子需要一个额外的电子形成两个二氢分子。

开车这个反应,研究人员必须先找到一个半导体材料可以有效地捕获太阳的能量,如叶绿素的植物。特纳表示,这材料搜索是真正阻碍进步。

'每个人都在谈论的材料,如氧化铁,二氧化钛,永远不会在他们当前的商业形式,或者甚至在一种改进形式,因为他们的太阳能转换效率太低了,”特纳说。所以我们需要一个新材料有更好的性能。现在可能坐在板凳上上面,我们会听到一两个月,或者可能需要三到四年更努力。”

特纳和Khaselev光解水制氢研究的早期设备使用砷化镓、磷化铟镓半导体材料。氢形成的磷化铟镓,设备使用铂电极扯掉氧气。问题是半导体退化得很快的解决方案。特纳说,任何未来的设备必须使用材料非常类似于目前的太阳能电池——作为奖励,寻找理想的水分离材料也可以抛出一个更好的太阳能电池材料。

美国宾夕法尼亚州立大学一群由汤姆Mallouk尝试一种不同的方法做什么叶绿素——分子生物学方法基于染料敏化太阳能电池。在普通的染料敏化太阳能电池,已经商业化,染料分子捕获可见光和细胞将它转换成电能。染料分子交出数十亿倍,多年来保持稳定。如果一些相同的原则可以应用于人工光合作用,我们可能有一个实用的设备。

对廉价厨房化学太阳能电池,染料敏化太阳能电池很不错,非常健壮的考虑他们的染料,你认为是不稳定的,“Mallouk说。的诀窍是,分子没有花任何时间在激发态或氧化形式,因为动力学是操纵这么快让这些电子他们该去的地方。”

Mallouk承认自己的系统,它使用一个ruthenium-based染料,⁴仍然是“病态贫穷”的营业额。系统使用的染料分子桥,它吸收光能量帮助泵电子从水合氧化铱-一个已知水氧化催化剂二氧化钛薄膜。这部电影形式阳极,这是连接到一个阴极铂,氢的形式。尽管营业额较低,总体方案,电子转移速率应可调,Mallouk说。

但我们必须找到那些便宜的材料?”每个人的抨击我,我用的是元素周期表中最昂贵的材料,但这是一个概念验证项目,所以我不担心,但是,“Mallouk说。没有点折腾用廉价的东西不工作之前你了解如何制作的原则”。

要便宜的

一个人找到了一个方法来分解水和做便宜——至少在氧进化的一面——丹诺塞拉在麻省理工学院,我们。去年8月,Nocera和Matthew Kanan发表了一篇论文的作者之一科学许多被认为是重大突破的领域(见必威体育 红利账户,2008年9月,p25)。本文描述了一种氧进化形成的催化剂,氧化铟锡电极,钴和磷-都便宜,丰富的元素。⁵根据Nocera,氧进化一半的反应是最困难的,他独特的催化剂之一是它在环境条件下工作。“真的是不同的,特殊的,”他说。“没人能够廉价的催化剂有效运作在一个开放的一杯水。这就意味着它的pH值7,在环境压力和室温的光合作用是如何工作的。”

虽然确切的机制尚不清楚,Nocera认为带正电的钴离子必须把电子从水分子的氢原子,释放氧气的过程。令人印象深刻的是,氧气是堪与光合作用形成的速度。但根据Nocera,催化剂最激动人心的事是其自我修复的能力,这是类似于的叶。

在光合作用中,叶片维修每半个小时,”他解释说。“需要氧气演变复杂的亚基,使一个全新的蛋白质,它插入。这催化剂比叶做得更好——如果钴催化剂中掉出来,然后它被氧化磷酸带来回电极。

唯一的缺点是,生成所需的电钴离子,这是当电流流经电极形成的解决方案,仍然来自化石燃料通过墙壁上的一个套接字。这个催化剂不能工作,除非我们找到的主要材料,光吸收材料是由某种能量,”特纳指出。“你可以将光线在这个催化剂,什么也不会发生。”

虽然他说,科学的进步是一篇好文章,特纳认为,很多好的氧进化已经存在,不使用贵金属催化剂。在任何情况下,他补充道,光吸收材料,科学家最终找到可能不会在中立的解决方案工作。

为什么太阳能呢?

如果让水分裂与太阳能是非常困难的,为什么这样做呢?Nocera指出他的催化剂,不管当前从哪里来,只要最终的结果是氧和氢,后者可以存储,后来重组与空气中的氧燃料电池发电。当前可能来自一个风力涡轮机或光伏,”他说。催化不在乎。

根据布里特,一些更复杂的仿生系统利用太阳能是永远不会是经济可行的。有时人们想的东西复制体系结构光系统II,都很好,很好,但是我不能想象如何规模大小的太阳能电池板,”他说。一平方米的一个小组将花费十亿美元。

特纳认为,在不久的将来,结合许多不同的可再生能源是必需的。但是,他说,只有足够的权力我们整个社会本身从长远来看是太阳能。他的希望仍然停留在发现材料有特殊属性,真的会引发商业太阳能水分裂技术的兴趣。的大公司如通用电气和通用汽车(General Motors)看着它,因为他们明白,未来能源系统是非常重要的,”他说。“当然目前经济环境不利于投入大量投资为新材料的研究和开发。公司
只是想坚持。”

海莉桦木是一个基于自由科学记者在布里斯托尔,英国