برای میلیون ها سال، گیاهان سبز از فتوسنتز برای گرفتن انرژی از نور خورشید و تبدیل آن به انرژی الکتروشیمیایی استفاده می کنند. هدف دانشمندان توسعه یک نسخه مصنوعی از فتوسنتز است که می تواند برای تولید سوخت مایع از دی اکسید کربن و آب استفاده شود.
محققان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی وزارت انرژی ایالات متحده (آزمایشگاه برکلی) اکنون با کشف این که بلورهای اکسید کبالت در اندازه نانو می توانند واکنش فتوسنتزی حیاتی شکافتن را انجام دهند، گامی مهم در جهت این هدف برداشته اند. مولکول های آب
هاینز گفت: «فتواکسیداسیون مولکول های آب به اکسیژن، الکترون ها و پروتون ها (یون های هیدروژن) یکی از دو نیمه واکنش ضروری یک سیستم فتوسنتز مصنوعی است - الکترون های مورد نیاز برای کاهش دی اکسید کربن به سوخت را فراهم می کند. فری، یک شیمیدان از بخش علوم زیستی فیزیکی آزمایشگاه برکلی، که این تحقیق را با همکار فوق دکتری خود فنگ جیائو انجام داد. "فتواکسیداسیون موثر به کاتالیزوری نیاز دارد که هم در استفاده از فوتون های خورشیدی کارآمد باشد و هم به اندازه کافی سریع باشد که با شار خورشیدی هماهنگ باشد تا از هدر رفتن آن فوتون ها جلوگیری شود. خوشه‌های نانوکریستال‌های اکسید کبالت به اندازه کافی کارآمد و سریع هستند و همچنین قوی (دوام طولانی) و فراوان هستند. آنها کاملاً متناسب با این صورت حساب هستند.»
Frei و Jiao نتایج مطالعه خود را در مجله Angewandte Chemie گزارش کرده اند. این تحقیق از طریق مرکز تحقیقات انرژی خورشیدی Helios (Helios SERC)، یک برنامه علمی در آزمایشگاه برکلی به سرپرستی Paul Alivisatos انجام شد که هدف آن توسعه سوخت از نور خورشید است.فری به عنوان معاون Helios SERC خدمت می کند.
فتوسنتز مصنوعی برای تولید سوخت های مایع نوید یک منبع تجدید پذیر و کربن خنثی از انرژی حمل و نقل را ارائه می دهد، به این معنی که در گرم شدن کره زمین که ناشی از سوزاندن نفت و زغال سنگ است، کمکی نمی کند. ایده این است که فرآیندی را بهبود بخشیم که گیاهان سبز و باکتری‌های خاص با مدت طولانی خدمت کرده‌اند، با ادغام در یک پلت فرم واحد سیستم‌های برداشت نور که می‌توانند فوتون‌های خورشیدی و سیستم‌های کاتالیزوری را که می‌توانند آب را اکسید کنند - به عبارت دیگر، یک برگ مصنوعی.
فری گفت: «برای استفاده از انعطاف‌پذیری و دقتی که توسط آن می‌توان جذب نور، انتقال بار و خواص کاتالیزوری را توسط ساختارهای مولکولی غیرآلی گسسته کنترل کرد، ما با نانو خوشه‌های اکسید فلزی چند هسته‌ای در سیلیس کار کرده‌ایم. "در کار قبلی، ما دریافتیم که اکسید ایریدیوم برای انجام کار به اندازه کافی کارآمد و سریع است، اما ایریدیوم کمترین مقدار فلز روی زمین است و برای استفاده در مقیاس بسیار بزرگ مناسب نیست.ما به فلزی نیاز داشتیم که به همان اندازه مؤثر باشد اما بسیار فراوانتر باشد.»
گیاهان سبز نور اکسیداسیون مولکول های آب را در مجموعه ای از پروتئین ها به نام Photosystem II انجام می دهند که در آن آنزیم های حاوی منگنز به عنوان کاتالیزور عمل می کنند. کمپلکس‌های آلی فلزی مبتنی بر منگنز که از Photosystem II مدل‌سازی شده‌اند، به‌عنوان فوتوکاتالیست‌هایی برای اکسیداسیون آب نویدبخش هستند، اما برخی از آنها از نامحلول بودن در آب رنج می‌برند و هیچکدام بسیار قوی نیستند.
در جستجوی کاتالیزورهای غیرآلی خالص که در آب حل می شوند و بسیار قوی تر از مواد بیومیمتیک هستند، فری و جیائو به اکسید کبالت روی آوردند، ماده ای بسیار فراوان که یک کاتالیزور صنعتی مهم است. هنگامی که فری و جیائو ذرات اکسید کبالت را به اندازه میکرون آزمایش کردند، دریافتند که این ذرات ناکارآمد هستند و به اندازه کافی سریع نیستند که به عنوان فوتوکاتالیست عمل کنند. با این حال، زمانی که آنها ذرات را به اندازه نانو درآوردند، داستان دیگری بود.
"بازده برای خوشه های اکسید کبالت (Co3O4) بلورهای در اندازه نانو حدود ۱،۶۰۰ برابر بیشتر بود. فری گفت، نسبت به ذرات با اندازه میکرون، و فرکانس گردش (سرعت) حدود 1،140 مولکول اکسیژن در ثانیه در هر خوشه بود، که با شار خورشیدی در سطح زمین (تقریباً 1000 وات بر متر مربع) متناسب است.."
Frei و Jiao از سیلیس مزوپور به عنوان داربست خود استفاده کردند و نانوبلورهای کبالت خود را در کانال‌های طبیعی موازی در مقیاس نانو سیلیس از طریق تکنیکی به نام "اشباع مرطوب" رشد دادند. بهترین عملکردها کریستال های میله ای با قطر 8 نانومتر و طول 50 نانومتر بودند که توسط پل های کوتاه به هم متصل شدند تا خوشه های بسته بندی شده را تشکیل دهند. این بسته ها به شکل کره ای به قطر 35 نانومتر بود. در حالی که کارایی کاتالیزوری خود فلز کبالت مهم بود، فری گفت که عامل اصلی افزایش کارایی و سرعت بسته‌ها اندازه آنهاست.
"ما گمان می کنیم که مساحت داخلی نسبتاً بزرگ این بسته های 35 نانومتری (محل کاتالیزور) عامل اصلی افزایش کارایی آنها باشد، زیرا زمانی که بسته های بزرگتر (قطر 65 نانومتر) تولید کردیم.)، مساحت داخلی کاهش یافت و باندل‌ها بخش زیادی از این افزایش کارایی را از دست دادند.»
Frei و Jiao مطالعات بیشتری را انجام خواهند داد تا درک بهتری از این که چرا خوشه‌های نانوکریستال اکسید کبالت آنها چنین فتوکاتالیست‌های کارآمد و پرسرعت هستند و همچنین به دنبال سایر کاتالیزورهای اکسید فلزی هستند، به دست خواهند آورد. با این حال، گام بزرگ بعدی، ادغام نیمه واکنش اکسیداسیون آب با مرحله کاهش دی اکسید کربن در یک سیستم نوع برگ مصنوعی خواهد بود.
فری گفت: «کارایی، سرعت و اندازه خوشه‌های نانوکریستال اکسید کبالت ما با Photosystem II قابل مقایسه است. هنگامی که فراوانی اکسید کبالت، پایداری نانوخوشه‌های مورد استفاده، شرایط pH و دما ملایم و پتانسیل متوسط را در نظر بگیرید، ما معتقدیم که یک جزء کاتالیزوری امیدوارکننده برای توسعه یک سیستم تبدیل سوخت خورشیدی یکپارچه بادوام داریم. این چالش مهم بعدی در زمینه فتوسنتز مصنوعی برای تولید سوخت است.»
مرکز تحقیقات انرژی خورشیدی هلیوس توسط مدیر دفتر علوم، دفتر علوم پایه انرژی وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود.
