系留化学组合可以彻底改变人工光合作用

美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家将捕获光并分解水分子的化学组合的效率提高了一倍，因此可以使用这些构件来生产氢燃料。他们的研究被选为美国化学学会的“编辑选择奖”，该研究将登载在Journal of Physical Chemistry C的封面上，这为开发所谓的人工光合作用(基于实验室的模拟光合作用)的革命性改进提供了平台。旨在从阳光中产生清洁能源的自然过程。

在自然光合作用中，绿色植物利用阳光将水(H 2 O)和二氧化碳(CO 2)转化为碳水化合物，例如糖和淀粉。来自太阳光的能量存储在将这些分子结合在一起的化学键中。

许多人工光合作用策略首先是寻找利用光将水分解成氢和氧的成分的方法，因此氢随后可与其他元素(理想的是来自二氧化碳的碳)结合起来制成燃料。但是，即使使氢原子以纯氢气(H 2)的形式重组也是迈向太阳能清洁燃料生产的一步。

为了实现水分解，科学家们一直在探索各种各样的吸光分子(也称为发色团或染料)，它们与化学催化剂配对，可以撬开水的很强的氢-氧键。新方法使用分子“系链”(即彼此具有高亲和力的简单碳链)将生色团连接到催化剂上。系链将粒子保持足够近的距离，以将电子从催化剂转移到发色团(这是活化催化剂的重要步骤)，但保持距离足够远，以使电子不会跳回到催化剂上。

Brookhaven实验室化学家哈维尔(Javier)解释说：“电子移动很快，但化学反应要慢得多。因此，要给系统时间使水分解反应发生而电子不移回到催化剂，则必须分开这些电荷。”康塞普西翁(Concepcion)，负责该项目。

在完整的设置中，生色团(束缚在催化剂上)嵌入电极上的纳米颗粒层中。每个纳米粒子由被二氧化钛(TiO 2)壳包围的二氧化锡(SnO2)核制成。这些不同的组分提供了有效的，逐步的电子穿梭，以不断将带负电的颗粒从催化剂中拉出，并将其送至制造燃料所需的位置。

这是从头到尾的工作方式：光撞击发色团，使电子产生足够的震动，将其从发色团传送到纳米粒子的表面。电子从那里移动到纳米粒子核心，然后通过导线从电极中移出。同时，失去一个电子的发色团从催化剂中吸出电子。只要有光，这个过程就会重复，使电子从催化剂流到发色团，再到纳米粒子再到金属丝。

每当催化剂失去四个电子时，它就会被足够大的正电荷激活，从而从两个水分子中窃取四个电子。这将氢和氧分开。氧气作为气体冒出气泡(在自然光合作用中，这就是植物使我们呼吸的氧气!)，而氢原子(现在是离子，因为它们带正电)通过膜扩散到另一个电极。它们在那里与导线携带的电子复合，产生氢气-燃料!

建立经验

Brookhaven团队尝试了这种生色团催化剂设置的早期版本，其中光吸收性染料和催化剂颗粒通过直接化学键而不是系链更紧密地连接。

康塞普西翁说：“这是非常困难的，需要经过许多步骤的合成和纯化，而且要花费数月的时间才能制成分子。” “最终的表现并不那么好。”

相反，将碳链束缚分子连接到两个分子上可使它们自组装。

斯托尼布鲁克大学研究生的王力说：“您只需将涂有发色团的电极浸入一种溶液中即可使催化剂悬浮，并且两种分子上的系链相互连接起来。”该论文的主要作者是今年早些时候发表的一篇描述自组装策略的论文。

这份新论文包含的数据表明，具有束缚连接的系统比直接连接的组件要稳定得多，并且产生的电流量是流过系统的电子数量的两倍。

康塞普西翁说：“ 从入射的光中产生的电子越多，产生氢燃料的能力就越强。”

科学家还测量了产生的氧气量。

康塞普西翁说：“我们发现使用可见光的该系统能够达到光驱动水分解的显着效率。”

但他指出，仍有改进的空间。“到目前为止，我们所做的工作都是制氢。但是，我们希望转向制造更高价值的碳氢燃料。” 既然他们拥有一个可以轻松互换组件并与其他变量进行实验的系统，那么他们就可以探索各种可能性。

康塞普西翁说：“这种装置最重要的方面之一不仅在于性能，还在于组装的简易性。”

“由于发色团和催化剂的这些组合非常容易制造，并且系链使我们能够很好地控制它们之间的距离，因此我们现在可以研究例如最佳距离。而且我们可以结合不同的发色团进行实验和催化剂，而不必进行复杂的合成就可以找到最佳的组合。” “这种方法的多功能性将使我们能够进行基础研究，而如果没有该系统，这是不可能的。”