美研發(fā)出*全集成人工光合作用納米系統(tǒng)

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)5月17日（北京時(shí)間）報(bào)道，就在媒體大肆喧囂大氣中二氧化碳含量已達(dá)到300萬年來zui高值的當(dāng)下，美國能源部（DOE）勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們在一期《納米快報(bào)》上報(bào)告說，他們在開發(fā)碳中和可再生能源技術(shù)——*全集成人工光合作用納米系統(tǒng)上取得了重要進(jìn)展。

　　主持該項(xiàng)研究的伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部化學(xué)家楊培棟（音譯）表示，如果說“人工樹葉”是此類系統(tǒng)的流行語，那此次成功的關(guān)鍵就是“人造森林”。與綠色植物中進(jìn)行光合作用的葉綠體相似，其人工光合系統(tǒng)由兩個(gè)半導(dǎo)體光吸收器、一個(gè)負(fù)責(zé)運(yùn)輸?shù)慕缑鎸蛹翱臻g分離的助催化劑組成。在該系統(tǒng)中，為了促進(jìn)太陽能水分解，研究人員合成了由硅“樹干”和鈦氧化物“枝杈”組成的納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在視覺上，這些納米結(jié)構(gòu)陣列與人造森林極其相似。

　　太陽能技術(shù)是碳中和可再生能源的理想解決方案，一小時(shí)的陽光所蘊(yùn)含的能量足以滿足人類一年所需?？蓪⑻柲苤苯愚D(zhuǎn)換成化學(xué)燃料的人工光合作用系統(tǒng)，被認(rèn)為是zui有前途的太陽能電池技術(shù)。人工光合作用面臨的主要挑戰(zhàn)是生產(chǎn)足夠廉價(jià)的氫以同化石燃料進(jìn)行抗衡。迎接這一挑戰(zhàn)，需要一個(gè)集成系統(tǒng)來有效吸收太陽光，并產(chǎn)生電荷來驅(qū)動相互分離的水的還原和氧化半反應(yīng)。

　　楊培棟稱，在自然光合作用中，吸收的日光能源產(chǎn)生帶電載流子，其可在葉綠體的不同區(qū)域執(zhí)行化學(xué)反應(yīng)。新研究將納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)集成進(jìn)一個(gè)功能系統(tǒng)，以模擬葉綠體中的集成現(xiàn)象，這為未來提高太陽能—燃料的轉(zhuǎn)換效率提供了概念性藍(lán)圖。

　　當(dāng)太陽光被葉綠體中的色素分子吸收時(shí)，產(chǎn)生的帶電電子經(jīng)由傳輸鏈在分子間移動，直到zui終驅(qū)動二氧化碳轉(zhuǎn)換成糖類。這種電子傳遞鏈被稱為“Z計(jì)劃”，因?yàn)槠湟粋?cè)的運(yùn)動模式類似于字母“Z”。楊培棟小組也在其系統(tǒng)中采用了“Z計(jì)劃”，他們僅使用兩種地球上較為豐裕和穩(wěn)定的半導(dǎo)體材料——硅和鈦氧化物，同時(shí)加載助催化劑，并在它們之間插入歐姆觸層。硅用于產(chǎn)氫的光電陰極，鈦氧化物用于產(chǎn)氧的光電陽極。樹狀結(jié)構(gòu)用于zui大限度地提高系統(tǒng)性能。像現(xiàn)實(shí)森林中的樹木一樣，人工納米樹的茂密陣列可抑制日光反射，并為產(chǎn)生燃料的反應(yīng)提供更多的表面。

　　在吸收了不同區(qū)域的太陽光譜后，硅和鈦氧化物中就會產(chǎn)生光激電子——空穴對。硅納米線中的光激電子遷移到表面，并將質(zhì)子還原成氫，而在鈦氧化物納米線中的光激空穴將水氧化釋出氧分子。來自兩個(gè)半導(dǎo)體的大多數(shù)載流子在歐姆觸層進(jìn)行重組，完成類似于自然光合作用的“Z計(jì)劃”接力。

　　在模擬日光下，這種基于納米線的集成人工光合作用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了0.12%的太陽能—燃料轉(zhuǎn)換效率。與某些自然光合轉(zhuǎn)換效率相比，此效率要用于商業(yè)用途還有待大幅提高。但是，該系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)允許將新發(fā)現(xiàn)的單個(gè)組件很容易地納入進(jìn)來，以提高其性能。

　　研究人員注意到，該系統(tǒng)的硅陰極和鈦氧化物陽極產(chǎn)生的光電流輸出并不匹配，陽極輸出的光電流較低，限制了系統(tǒng)的整體性能。目前，研究人員正在開發(fā)比鈦氧化物表現(xiàn)更好的光電陽極，并有望在不久的將來使能源轉(zhuǎn)換效率提高到個(gè)位數(shù)百分比的水平。