受自然启发的绿色能源技术消除了重要的发展障碍

 
科学家海因茨·弗莱(Heinz Frei)花了数十年的时间致力于构建自然界最优雅，最有效的机器之一：叶子的人工版本。
弗赖(Frei)和世界各地的许多其他研究人员，都在寻求利用光合作用(一种由阳光驱动的化学反应，绿色植物和藻类用来将二氧化碳(CO2)转化为细胞燃料)来产生可以为我们的家庭和家庭供电的各种燃料。汽车。如果可以通过理论模型和实验室规模的原型改进必要的技术，那么这种被称为人造光合作用的满月想法就有可能利用我们大气中的多余二氧化碳生成大量完全可再生能源。
弗赖和他在能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的团队凭借他们的最新进展，目前正在为实现这一目标而努力。科学家们开发了一种由纳米管制成的人造光合作用系统，该系统看起来能够执行燃料产生反应的所有关键步骤。
他们的最新论文发表在《高级功能材料》上，证明了他们的设计允许质子从管子的内部空间快速流动，质子是由分裂的水分子产生的，然后流向外部，在此它们与CO2和电子结合形成形成燃料。该燃料目前为一氧化碳，但研究小组正在努力生产甲醇。快速质子流是有效利用阳光能量形成燃料所必需的，这已成为过去人工光合作用系统所面临的难题。
既然团队已经展示了试管如何分别执行所有的光合作用，那么他们准备开始测试整个系统。系统的单个单元将是小方形的“太阳能燃料砖”(一侧长几英寸)，其中包含数十亿个纳米级管，这些管夹在薄而柔韧的硅酸盐的地板和天花板之间，管口穿过这些盖子。弗莱(Frei)希望他的小组的瓷砖能够成为解决此类技术仍面临的主要障碍的第一人。
伯克利实验室生物科学领域的资深科学家弗赖说：“还有两个挑战尚未解决。” “其中之一是可扩展性。如果我们想将化石燃料保留在地下，我们需要能够以太瓦为单位制造能源，这是一种巨大的燃料。而且，您需要制造液态碳氢化合物燃料，这样我们才能真正将其与价值数万亿美元的现有基础架构和技术一起使用。”
他指出，一旦建立了满足这些要求的模型，便可以迅速地用许多单独的砖块建造太阳能燃料场。 “作为基础科学家，我们需要交付一种能够正常工作的瓷砖，而有关其性能的所有问题都应得到解决。行业工程师知道如何连接这些瓷砖。当我们计算出平方英寸时，他们将能够制造出平方英里。”

 
瓷砖内部的每个细小(约0.5微米宽)空心管都由三层组成：氧化钴内层，二氧化硅中层和二氧化钛外层。在灯管的内层，来自阳光的能量传递到氧化钴，使水分解(以流过每个灯管内部的湿空气的形式)，产生游离的质子和氧气。
Won Jun Jo说：“这些质子很容易流到外层，在此过程中，它们与二氧化碳结合形成一氧化碳，并在以后的步骤中形成甲醇，这一过程由二氧化钛层支撑的催化剂实现。”该论文的博士后研究员和第一作者。 “燃料聚集在管子之间的空间中，可以很容易地排出以便收集。”
重要的是，管壁的中间层将水氧化产生的氧气保持在管内部，并阻止二氧化碳和外部不断演变的燃料分子渗透到内部，从而将两个非常不相容的化学反应分开区域。
这种设计模仿了实际的光合作用细胞，该细胞将叶绿体内部的有机膜隔室的氧化和还原反应分开。与自然界的原始设计图类似，该团队的膜管允许光合作用反应在很短的距离内发生，从而最大程度地减少了离子传播时发生的能量损失，并防止了意想不到的化学反应，这也会降低系统的效率。
弗雷说：“这项工作是伯克利实验室致力于为应对气候变化带来的紧急能源挑战提供解决方案的承诺的一部分。” “这项任务的跨学科性质要求伯克利实验室独有的专业知识和主要设施的广度。特别是，Molecular Foundry的纳米加工和成像功能对于合成和表征超薄层以及制造平方英寸大小的阵列至关重要。中空纳米管。”