全球经济增长伴随着对能源的需求不断增加,但加大能源生产可能是一个挑战。最近，科学家们在太阳能转化为燃料方面取得了创纪录的效率，现在他们想利用光合作用来进一步推动这一过程。

 

研究人员今天将在美国化学学会(ACS) 2020年秋季虚拟会议和博览会上展示他们的研究结果。ACS的会议将持续到周四。它包含了超过6000个关于科学主题的演讲。

 

“我们想制造一种光催化系统，利用阳光驱动对环境有重要意义的化学反应，”该项目的首席研究员丁香·阿米拉夫博士说。

 

具体来说，她在以色列理工学院的团队正在设计一种能将水分解成氢燃料的光催化剂。Amirav说:“当我们把棒状纳米粒子放入水中并照射它们时，它们会产生正电荷和负电荷。”“水分子破裂;负电荷产生氢(还原)，正电荷产生氧(氧化)。这两个包含正电荷和负电荷的反应必须同时发生。如果不利用正电荷，负电荷就不能产生所需的氢气。”

 

如果相互吸引的正电荷和负电荷重新结合，它们就会相互抵消，杏耀代理能量就会损失。因此，为了确保电荷之间的距离足够远，该团队建立了独特的异质结构，由不同的半导体以及金属和金属氧化物催化剂组成。利用一个模型系统，他们分别研究了还原反应和氧化反应，并改变了异质结构以优化燃料生产。

 

2016年，该团队设计了一个异质结构，将一个球形硒化镉量子点嵌入到一个棒状的硫化镉片中。在尖端有一个铂金属颗粒。硒化镉粒子吸引正电荷，而负电荷在尖端累积。阿米拉夫说:“通过调整量子点的大小和棒的长度，以及其他参数， 杏耀注册 ，我们实现了100%的阳光转化为氢从水还原。”她指出，一个光催化剂纳米颗粒每小时可以产生360,000个氢分子。

 

该小组在ACS杂志《纳米快报》上发表了他们的研究结果。但在这些实验中，他们只研究了反应的一半(还原反应)。为了使光催化系统发挥正确的作用，光催化系统必须同时支持还原反应和氧化反应。“我们还没有把太阳能转化为燃料，”Amirav说。“我们仍然需要一个氧化反应来持续地为量子点提供电子。”水氧化反应发生在一个多步骤的过程中，因此仍然是一个重大的挑战。此外，它的副产品似乎损害了半导体的稳定性。

 

该小组与合作者一起探索了一种新方法——寻找不同的可以被氧化代替水的化合物——这使得他们得到了苄胺。研究人员发现，他们可以从水中产生氢，同时将苄胺转化为苯甲醛。“通过这项研究，我们已经把这个过程从光催化转变为光合作用，也就是说，太阳能真正转化为燃料，”Amirav说。该光催化系统能够将太阳能真正转化为可储存的化学键，太阳能转化化学能的效率最高可达4.2%。她指出:“这个数字在光催化领域创造了新的世界纪录，是之前纪录的两倍。”美国能源部将5-10%定义为光催化制氢的“实际可行性门槛”。因此，杏耀连接我们已经在经济上可行的太阳能转化为氢的门槛上。”

 

这些令人印象深刻的结果促使研究人员去看看是否还有其他具有高太阳转化为化学的化合物。为了做到这一点，该团队使用了人工智能。通过合作，研究人员正在开发一种算法来寻找理想的燃料生产化合物的化学结构。此外，他们正在研究改善光系统的方法，其中一种方法可能是从大自然中汲取灵感。植物细胞膜中一种包含光合作用电路的蛋白质复合物成功地与纳米粒子结合。Amirav说这个人工系统到目前为止已经证明是卓有成效的，支持水氧化的同时提供的光电流是其他类似系统的100倍。