光合作用的机械将太阳能转换为氢燃料

全球经济增长伴随着对能源需求的增长，但加快能源生产可能具有挑战性。最近，科学家在太阳能转化为燃料方面取得了创纪录的效率，现在，他们希望结合光合作用的机制来进一步推动这一发展。

研究人员将于今天（2020年8月17日）在美国化学学会（ACS）2020年秋季虚拟会议暨展览会上展示他们的结果。ACS将在星期四举行会议。它以关于广泛的科学主题的6,000多个演讲为特色。

该项目的主要研究人员Lilac Amirav博士说：“我们希望制造一种利用阳光驱动具有环境重要性的化学反应的光催化系统。”

具体来说，她在以色列理工学院的研究小组正在设计一种光催化剂，该催化剂可以将水分解为氢燃料。“当我们将棒状纳米颗粒置于水中并在其上照射光时，它们会产生正电荷和负电荷，” Amirav说。“水分子破裂；负电荷产生氢（还原），正电荷产生氧（氧化）。涉及正电荷和负电荷的两个反应必须同时发生。如果不利用正电荷，负电荷就无法产生所需的氢。”

如果相互吸引的正电荷和负电荷设法重新结合，它们会相互抵消，从而导致能量损失。因此，为了确保电荷之间的距离足够远，该团队建立了独特的异质结构，该异质结构由不同半导体，金属和金属氧化物催化剂的组合组成。他们使用模型系统分别研究了还原和氧化反应，并改变了异质结构以优化燃料生产。

在2016年，研究小组设计了一种异质结构，在球形棒状硫化镉中嵌入了球形硒化镉量子点。铂金属颗粒位于尖端。硒化镉颗粒吸引正电荷，而负电荷累积在尖端。阿米拉夫说：“通过调整量子点的大小和棒的长度以及其他参数，我们实现了从减水中将太阳光100％转化为氢的转化。”她指出，单个光催化剂纳米粒子每小时可产生360,000个氢分子。

该小组在ACS期刊 Nano Letters上发表了他们的研究结果。但是在这些实验中，他们只研究了一半的反应（还原）。为了实现适当的功能，光催化系统必须同时支持还原和氧化反应。“我们还没有将太阳能转化为燃料，”阿米拉夫说。“我们仍然需要能够继续向量子点提供电子的氧化反应。”水氧化反应在多步过程中发生，因此仍然是一个重大挑战。另外，其副产物似乎损害了半导体的稳定性。

该小组与合作者一起探索了一种新方法-寻找可以代替水而被氧化的不同化合物-从而将它们转化为苄胺。研究人员发现，他们可以从水中产生氢气，同时将苄胺转化为苯甲醛。“通过这项研究，我们已经将过程从光催化转变为光合作用，也就是将太阳能真正转化为燃料，” Amirav说。该光催化系统可将太阳能真正转换为可存储的化学键，最大能将太阳能转换为化学能，转换效率为4.2％。她说：“该产品在光催化领域建立了新的世界纪录，并使以前的纪录翻了一番。”“美国能源部将5-10％定义为通过光催化产生氢的'实际可行性阈值'。因此，我们正处在经济可行的太阳能到氢的转换的门口。”

这些令人印象深刻的结果激发了研究人员寻找是否有其他化合物具有高的太阳到化学转化率。为此，团队正在使用人工智能。通过合作，研究人员正在开发一种算法，以搜索化学结构以寻找理想的燃料生产化合物。此外，他们正在研究改善其光系统的方法，一种方法可能是从自然中汲取灵感。包含光合作用电路的植物细胞膜中的蛋白质复合物已成功与纳米粒子结合。阿米拉夫说，到目前为止，这种人工系统已经证明是卓有成效的，能够支持水氧化，同时提供光电流，其电流是其他类似系统产生的光电流的100倍。

研究人员承认，欧盟委员会和以色列国家基础设施，能源与水资源部的“地平线2020”计划提供了资金。