Исследователи создали первую в мире наносистему искусственного фотосинтеза

Ученые представили первую в мире разработку полностью интегрированной наносистемы для искусственного фотосинтеза

Ученым удалось воссоздать фундаментальный природный процесс с помощью первой полностью интегрированной наносистемы искусственного фотосинтеза, как сообщает phys.org.

На волне впечатляющей новости о том, что в настоящее время уровень содержания углекислого газа в атмосфере зарегистрирован на самом высоком уровне за последние по крайней мере три миллиона лет, был сделан важный шаг вперед в разработке углеродно-нейтральных возобновляемых источников энергии.

Ученые из Национальной лаборатории Лоренса Беркли (Berkeley Lab) в сотрудничестве с Министерством энергетики США представили первую в мире разработку полностью интегрированной наносистемы для искусственного фотосинтеза. Сегодня такую систему принято называть «искусственный лист», однако ключом к успеху ученых стал «искусственный лес».

«Как и хлоропласты в зеленых растениях, которые осуществляют фотосинтез, наши системы искусственного фотосинтеза состоят из двух полупроводниковых светопоглотителей, связующего слоя для переноса заряда и разделенных сокатализаторов, – рассказывает химик из отдела наук о веществах из Лаборатории Беркли Пейдонг Ян, возглавивший это исследование. – Чтобы облегчить расщепление воды с помощью солнечной энергии в нашей системе, мы синтезировали древовидные нановолокнистые структуры, состоящие из стволов и ветвей кремниевого оксида титана. Визуально массивы этих наноструктур очень напоминают искусственные леса».

Ян, который также работает на химическом факультете Университета Беркли и на факультете наук о материалах и технике, является ведущим автором статьи с описанием этого исследования в журнале Nano Letters. Статья вышла под названием «Полностью интегрированная наносистема полупроводниковых нанопроводов для расщепления воды с помощью солнечной энергии». Соавторами статьи являются Чонг Лю, Джиняо Тан, Хао Мин Чен и Лю Бин.

Схематичное изображение наноразмерной древоподобной гетероструктуры расщепления воды на солнечной энергии. Фото с сайта lbl.gov

Решение энергетических проблем человечества – в солнечных лучах

Солнечные технологии являются идеальным решением для углеродно-нейтральных возобновляемых источников энергии: в одном часе солнечного света содержится достаточно энергии для того, чтобы удовлетворить все потребности человека за год жизни.

Искусственный фотосинтез, в ходе которого солнечная энергия превращается непосредственно в химическое топливо, считается одной из наиболее перспективных технологий. Одной из главных задач для ученых, разрабатывающих систему искусственного фотосинтеза для получения водорода, является необходимость сделать эту систему достаточно дешевой, чтобы она смогла конкурировать с ископаемым топливом. Решение этой задачи требует разработки комплексной системы, которая будет способна эффективно поглощать солнечный свет и в то же время производить носители заряда для контроля сокращения расхода воды и полуреакций окисления.

Когда солнечный свет поглощается пигментными молекулами хлоропласта, вырабатывается заряженный электрон, который перемещается от одной молекулы к другой через транспортную цепочку, пока в итоге не происходит превращение двуокиси углерода в углеводы сахара. Эта транспортная цепочка электрона называется «Z-схема», потому что путь движения напоминает букву Z.

Ян и его коллеги использовали Z-схему и в своей системе, только они использовали два имеющихся в изобилии на Земле стабильных полупроводника – кремний и оксид титана. Кремний был использован для образования выделяющего водород фотокатода, а оксид титана – для образования выделяющего кислород фотоанода. Для достижения максимальной производительности системы было использовано древовидное построение. Как деревья в настоящем лесу, плотные массивы нанопроводов – искусственные деревья – подавляют отражение солнечного света, освобождая большую площадь поверхности для образования вещества, необходимого для прохождения реакций.

Под искусственным солнечным излучением эта интегрированная система искусственного фотосинтеза, в основе которой лежит идея использования нанопроводов, достигла 0,12-процентной эффективности преобразования солнечной энергии в топливо. Хотя данный уровень эффективности можно наблюдать и в естественной природной среде, при искусственном фотосинтезе в коммерческих целях его можно значительно повысить.

Тем не менее модульная конструкция этой системы позволяет активно использовать вновь открытые отдельные ее компоненты для повышения эффективности. Например, Ян отмечает, что производительности катодов кремния и анодов оксида титана не совпадают, и низкая производительность фототока от анодов ограничивает общую производительность системы.

«У нас в запасе несколько хороших идей по разработке стабильных фотоанодов с более высокой производительностью, чем у оксида титана, – рассказывает Ян. – Мы уверены, что в ближайшем будущем сможем заменить аноды из оксида титана другим веществом и, соответственно, повысить эффективность преобразования энергии на несколько процентов».