從陽(yáng)光中提取清潔燃料

確保足夠的能源以滿足人類需求是社會(huì)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。以前可靠的資源 - 石油，天然氣和煤炭 - 通過(guò)釋放二氧化碳和其他溫室氣體，降低了空氣質(zhì)量，破壞了陸地和海洋，改變了全球氣候的脆弱平衡。與此同時(shí)，到2050年，地球的快速工業(yè)化人口預(yù)計(jì)將達(dá)到100億。清潔替代品是一個(gè)迫切需要的問(wèn)題。

亞利桑那州立大學(xué)生物設(shè)計(jì)應(yīng)用結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)中心的研究人員正在探索新的技術(shù)，這些技術(shù)可以為清潔，可持續(xù)的能源鋪平道路，以幫助滿足令人畏懼的全球需求。

在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)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和相應(yīng)的作者Gary Moore描述了結(jié)合的技術(shù)聚光半導(dǎo)體和能夠產(chǎn)生清潔燃料的化學(xué)反應(yīng)的催化材料。

這項(xiàng)新研究探討了此類裝置主要組成部分的微妙相互作用，并概述了理解潛在燃料形成反應(yīng)的理論框架。結(jié)果提出了提高這種混合技術(shù)的效率和性能的策略，使它們更接近商業(yè)可行性。

通過(guò)這些技術(shù)生產(chǎn)氫和還原形式的碳有朝一日可以取代化石燃料來(lái)源，用于各種減少碳的商品，包括燃料，塑料和建筑材料。

“在這個(gè)特殊的工作中，我們一直在開(kāi)發(fā)集成光捕獲和轉(zhuǎn)化技術(shù)與基于化學(xué)的系統(tǒng)能存儲(chǔ)策略，”摩爾，誰(shuí)是在分子科學(xué)亞利桑那州立大學(xué)學(xué)院的助理教授。這種新技術(shù)不是直接從太陽(yáng)光發(fā)電，而是利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)能夠產(chǎn)生燃料的化學(xué)反應(yīng)，將太陽(yáng)能儲(chǔ)存在化學(xué)鍵中。“這就是催化變得非常重要的地方?？刂品磻?yīng)選擇性和驅(qū)動(dòng)這些轉(zhuǎn)變的總體能量需求的化學(xué)反應(yīng)，”摩爾說(shuō)。

在陽(yáng)光下的新東西

可持續(xù)碳中和能源生產(chǎn)最具吸引力的來(lái)源之一既古老又豐富：陽(yáng)光。實(shí)際上，近年來(lái)采用太陽(yáng)能技術(shù)已經(jīng)獲得了巨大的發(fā)展勢(shì)頭。

光伏(PV)設(shè)備或太陽(yáng)能電池聚集太陽(yáng)光并將能量直接轉(zhuǎn)化為電能。改進(jìn)的材料和降低的成本使得光伏發(fā)電成為一種極具吸引力的能源選擇，特別是在像亞利桑那州這樣陽(yáng)光普照的州，大型太陽(yáng)能電池陣列占地?cái)?shù)英畝，能夠?yàn)閿?shù)千個(gè)家庭提供電力。

“但僅僅使用光伏技術(shù)獲得太陽(yáng)能是不夠的，”摩爾指出。太陽(yáng)能和風(fēng)能等許多可再生能源并不總是可用，因此間歇性能源的存儲(chǔ)是未來(lái)大規(guī)模滿足全球人類能源需求的技術(shù)的關(guān)鍵部分。

正如摩爾解釋的那樣，借用自然手冊(cè)中的一頁(yè)可以幫助研究人員利用太陽(yáng)的輻射能量來(lái)產(chǎn)生可持續(xù)的燃料。“有一點(diǎn)很清楚，”摩爾說(shuō)。“在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，我們可能會(huì)繼續(xù)使用燃料作為我們能源基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，尤其是涉及地面和空中運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用。這就是我們研究中生物啟發(fā)部分變得特別相關(guān)的地方 - 尋找大自然的暗示我們?nèi)绾慰赡荛_(kāi)發(fā)生產(chǎn)無(wú)碳或中性燃料的新技術(shù)。“

太陽(yáng)能

大自然更令人印象深刻的技巧之一涉及利用陽(yáng)光來(lái)產(chǎn)生富含能量的化學(xué)物質(zhì)，這個(gè)過(guò)程在數(shù)十億年前被植物和其他光合生物所掌握。“在這個(gè)過(guò)程中，光被吸收，能量被用來(lái)驅(qū)動(dòng)一系列復(fù)雜的生化轉(zhuǎn)化，最終產(chǎn)生我們吃的食物，并且在漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)間尺度上，運(yùn)行我們現(xiàn)代社會(huì)的燃料，”摩爾說(shuō)。

在目前的研究中，該小組分析了控制用于通過(guò)各種人工裝置生產(chǎn)燃料的化學(xué)反應(yīng)效率的關(guān)鍵變量。“在本文中，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)描述半導(dǎo)體表面的光吸收，半導(dǎo)體內(nèi)的電荷遷移，電荷轉(zhuǎn)移到催化劑層，然后是化學(xué)催化步驟之間的相互作用，”Wadsworth說(shuō)。

該小組開(kāi)發(fā)的模型基于控制酶行為的類似框架，稱為Michaelis-Menten動(dòng)力學(xué)，其描述了酶促反應(yīng)速率與發(fā)生反應(yīng)的介質(zhì)(或底物)之間的關(guān)系。在這里，該模型應(yīng)用于結(jié)合光捕獲半導(dǎo)體和用于燃料形成的催化材料的技術(shù)裝置。

“我們將這些混合材料的燃料形成活動(dòng)描述為光強(qiáng)度和潛力的函數(shù)，”Wadsworth說(shuō)。(類似的Michaelis-Menten型動(dòng)力學(xué)模型已被證明可用于分析抗原 - 抗體結(jié)合，DNA-DNA雜交和蛋白質(zhì) - 蛋白質(zhì)相互作用等現(xiàn)象。)

在對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行建模時(shí)，該小組發(fā)現(xiàn)了令人驚訝的發(fā)現(xiàn)。“在這個(gè)特殊的系統(tǒng)中，我們不受催化劑驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的速度的限制，”摩爾說(shuō)。“我們受到向該催化劑輸送電子并激活它的能力的限制。這與照射到表面的光強(qiáng)度有關(guān).Brian，Anna，Diana和Edgar在他們的實(shí)驗(yàn)中表明，增加光強(qiáng)度會(huì)增加光速。燃料形成。“

這一發(fā)現(xiàn)對(duì)此類設(shè)備的未來(lái)設(shè)計(jì)具有重要意義，著眼于最大限度地提高效率。“簡(jiǎn)單地在混合材料表面添加更多催化劑不會(huì)導(dǎo)致更高的燃料產(chǎn)生率。我們需要考慮基礎(chǔ)半導(dǎo)體的光吸收特性，這反過(guò)來(lái)又迫使我們更多地考慮催化劑的選擇以及如何催化劑與光吸收組分接合。“

希望之光

在此類太陽(yáng)能燃料解決方案準(zhǔn)備好迎接黃金時(shí)段之前，還有許多工作要做。使這些技術(shù)適用于人類需求需要高效，可負(fù)擔(dān)和穩(wěn)定。“生物組裝具有自我修復(fù)和繁殖的能力;技術(shù)組裝在這方面受到限制。這是我們可以從生物學(xué)中學(xué)到更多東西的一個(gè)領(lǐng)域，”摩爾說(shuō)。

這項(xiàng)任務(wù)很難緊急。預(yù)計(jì)到本世紀(jì)中葉，全球?qū)δ茉吹男枨髮哪壳暗?7太瓦增加到驚人的30太瓦。除了重大的科技障礙外，摩爾還強(qiáng)調(diào)，深刻的政策變革也必不可少。“我們將如何滿足未來(lái)的能源需求，這是一個(gè)真正的問(wèn)題。如果我們要以環(huán)保和平等的方式做到這一點(diǎn)，那么它將采取嚴(yán)肅的政治承諾。”

這項(xiàng)新研究是邁向可持續(xù)未來(lái)的漫長(zhǎng)道路的一步。該小組指出，他們的研究結(jié)果很重要，因?yàn)樗鼈兛赡芘c涉及光吸收材料和催化劑的各種化學(xué)轉(zhuǎn)化有關(guān)。“關(guān)鍵原則，特別是照明強(qiáng)度，光吸收和催化之間的相互作用也應(yīng)適用于其他材料，”摩爾說(shuō)。