揭秘人工树叶 太阳光转化为化学能

揭秘人工树叶 太阳光转化为化学能,第1张

  新的人造树叶在产生氢气时,使用不太昂贵的镍钼锌化合物取代铂催化剂,大幅度降低了成本。

  有一篇论文,详细描述了开发的第一款实用人工树叶,这是一个里程碑,会促进可持续能源,模仿光合作用过程中的绿色植物,把水和阳光转化成能量,这篇文章发表在美国化学学会(ACS)的期刊《化学研究报道》(Accounts of Chemical Research)上。文章指出,不像早期的设备那样使用昂贵的成分,这种新设备采用廉价材料制成,而且采用了低成本的工程设计和制造工艺。

  

人工树叶有太阳光收集器,就夹在两片薄膜之间,这两片薄膜会生成氧气和氢气。浸入一瓶水中,在阳光的照射下,它就会冒泡,释放出氢气,可用于燃料电池,进行发电

 

  丹尼尔•G。诺塞拉(Daniel G. Nocera)指出,人工树叶应验了意大利著名化学家的设想,这位化学家在1912年就预言,有朝一日,科学家会揭开“植物的深奥秘密”。诺塞拉说,其中最重要的,就是水分解成氢气和氧气的过程。人工树叶有太阳光收集器,就夹在两片薄膜之间,这两片薄膜会生成氧气和氢气。浸入一瓶水中,在阳光的照射下,它就会冒泡,释放出氢气,可用于燃料电池,进行发电。这些自足的装置很有吸引力,可以制成电力燃料,用于偏僻的地方和发展中国家,但是,迄今为止展示的这些设计,都要依靠一些金属,比如铂(plaTInum),也依靠一些制造工艺,这就使它成本过高。 为了使这些设备可以更广泛的使用,诺塞拉取代了铂催化剂,在产生氢气时,使用不太昂贵的镍钼锌(nickel-molybdenum-zinc)化合物。在叶片的另一面,钴(cobalt)薄膜会产生氧气。诺塞拉指出,所有这些材料在地球上都是丰富的,不像稀有和昂贵的铂金,还有贵金属氧化物和半导体材料,这都是其他人使用过的。“因为到本世纪中叶,正是这60亿非传统用户会带来能源需求的巨大增长,因此,一项研究目标就是把太阳能提供给贫穷的地区,有些发现比如人工树叶,会给全球社会提供一条最直接的途径,迈向可持续能源的未来,”他说。 他们的论文《人工树叶》(the ArTIficial Leaf)发表在2012年4月4日的《化学研究报道》上,文中介绍,为了把阳光能量转换成化学能,叶子会分裂水,通过光合作用过程,产生分子状态的氧和氢,氧和氢的形态都是分离的质子和电子。天然光合作用的主要步骤包括吸收阳光,把它转换成空间上分隔的电子-空穴对(electron–hole pairs)。这种无线电流空穴会被放氧复合体(OEC:oxygen evolving complex)捕获,这个复合体属于光系统Ⅱ(PSⅡ:photosystem II),会把水氧化为氧气。产生的电子和质子是放氧复合体反应的副产品,会被光合系统I的铁氧还蛋白(ferrodoxin)捕获。借助铁氧还蛋白-烟酰胺腺嘌呤二核甙酸磷酸 +还原酶(ferrodoxin–NADP+ reductase),它们可用于产生氢气,形态是还原型烟酰胺腺嘌呤二核甙酸磷酸(NADPH)。合成材料要实现树叶的太阳能转换功能,这种光吸收材料就必须捕捉太阳光子,产生无线电流,并被催化剂利用,从而促进四个电子/空穴对的燃料形成和水分解反应,要在良性的条件下,采用1太阳(100 mW/cm2)的照明。 这篇报道介绍,制备人造树叶,要采用地球上丰富的元素,用三节非晶硅光伏材料结合氢气和氧气释放催化剂,这些催化剂的制备分别采用一种三元合金(NiMoZn)和钴磷酸盐簇(Co-OEC :cobalt–phosphate cluster)。后者可利用光合系统II放氧复合体(PSII-OEC)的结构和功能属性。类似光合系统II放氧复合体,这种钴磷酸盐簇会自我组装,这需要氧化地球上丰富的金属离子,从2 +到 3 +, *** 作可在室温下的天然水中进行,具有自愈功能。这种钴磷酸盐簇也可激活H2O,这要利用质子耦合电子传递机制,其中钴磷酸盐簇可以增加,采用四个空穴孔对等物,类似于S状态抽泵的光合系统II(PSII)角周期(Kok cycle)。 X-射线吸收光谱的研究已经表明,钴磷酸盐簇在结构上关联到Mn3CaO4,这种锰立方烷(cubane),属于光合系统II放氧复合体,其中,钴取代锰,立方烷延长到共享的从头至尾的二聚体(dimer)中。 可以进行放氧反应,采用的水要处于中性或接近中性的条件下,这会产生几种结果,可以制备人工树叶。NiMoZn合金可用于取代铂,生成氢气。为了稳定水中的硅,要在它的表面涂上导电金属氧化物,这样,上面就可沉积钴磷酸盐簇。最终的结果是,三结硅片涂有NiMoZn和钴磷酸盐簇,在水中浸泡,在阳光下可以直接进行太阳能转换,只需要分解水。制成一种简单的单机设备,采用地球上丰富的材料,这种人工树叶就提供了一种方法,可用于廉价的高度分散的太阳能-燃料系统,只需采用低成本系统工程设计和制造工艺。采用这种类型的系统,太阳能就成为可行的电源,可用于非常规供电地区。

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