Solarzelle spaltet direkt Wasser für Wasserstoff auf

Betriebsbäume und -algen tun sie. Sogar tun etwas Bakterium und Moos sie, aber Wissenschaftler haben sich entwickelnden Methoden einer schwierigen Zeit gehabt, zum des Tageslichtes zu nützlichen Kraftstoff zu machen. Jetzt haben Penn Zustandforscher eine Beweis-vonkonzept Vorrichtung, die Wasser aufspalten und wieder gutzumachenden Wasserstoff produzieren kann.

„Dieses ist ein Beweis-vonkonzept System, das sehr wirkungslos ist. „Wenn dieses verwirklicht werden könnte, würde Wasserfotozerfall liefern eine saubere Quelle des Wasserstofkraftstoffs vom Wasser und vom Tageslicht.“

Obgleich Solarzellen Elektrizität aus sichtbarem Licht an den Leistungsfähigkeiten von grösser als 10 Prozent jetzt produzieren können, sind Solarwasserstoffzellen - wie die entwickelt von Craig Grimes, Professor der Elektrotechnik am Penn Zustand - durch die arme Spektralantwort der benutzten Halbleiter begrenzt worden. Prinzipiell können molekulare helle Sauger mehr des sichtbaren Spektrums in einem Prozess verwenden, der von der natürlichen Fotosynthese mimetic ist. Fotosynthese benutzt Chlorophyll und andere Färbungsmoleküle, um sichtbares Licht aufzusaugen.

Bis jetzt haben Experimente mit den natürlichen und synthetischen Färbungsmolekülen entweder Wasserstoff oder Sauerstoff-unter Verwendung der Chemikalien, die im Prozess produziert verbraucht werden, aber haben nicht noch einen laufenden, dynamischen Prozess verursacht. Jene Prozesse auch im Allgemeinen würden mehr als aufspaltenwasser mit Elektrizität kosten. Ein Grund für die Schwierigkeit ist, dass einmal produziert, Wasserstoff und Sauerstoff leicht wiederverbindet. Die Katalysatoren, die benutzt worden sind, um die Sauerstoff und Wasserstoff Hälftereaktionen zu studieren, sind auch gute Katalysatoren für die Rekombinationreaktion.

Mallouk und W. Justin Youngblood, Habilitationsgefährte in der Chemie, zusammen mit Mitarbeitern an der Staat Arizona-Universität, entwickelten ein Katalysatorsystem das, kombiniert mit einer Färbung, die Elektronübergangs- und Wasseroxidationsprozesse nachahmen kann, die in den Anlagen während der Fotosynthese auftreten. Sie meldeten die Resultate ihrer Experimente bei der Jahresversammlung der amerikanischen Verbindung für die Zuführung der Wissenschaft heute (17. Februar) in Boston.

Der Schlüssel zu ihrem Prozess ist ein kleiner Komplex der Moleküle mit einem Mittelkatalysator der Iridiumoxidmoleküle, die durch orangerote Färbungsmoleküle umgeben werden. Diese Blöcke sind ungefähr 2 Nanometer im Durchmesser mit den Katalysator- und Färbungsbestandteilen ungefähr die selbe Größe. Die Forscher wählten orangerote Färbung, weil sie Tageslicht in der blauen Strecke aufsaugt, die die meiste Energie hat. Die benutzte Färbung ist auch gänzlich in den vorhergehenden künstlichen Fotosynthesenexperimenten studiert worden.

Sie sperren die Färbungsmoleküle um den Mittelkern, der Fläche auf dem Katalysator für die Reaktion lässt. Wenn sichtbares Licht die Färbung schlägt, die Energie aufregt Elektronen in der Färbung, die, mithilfe des Katalysators, das Wassermolekül aufspalten kann und stellt freien Sauerstoff her.

„Jedes Oberflächeniridiumatom kann durch die Wasseroxidationsreaktion einen Kreislauf durchmachen ungefähr 50mal pro Sekunde,“ sagt Mallouk. „Das ungefähr drei Größenordnungen schneller als die folgenden besten synthetischen Katalysatoren ist, und vergleichbar mit der Umsatzrate von Fotosystem II in der Grünpflanzefotosynthese.“ Fotosystem II ist der Proteinkomplex in den Anlagen, der Wasser oxidiert und den fotosynthetischen Prozess beginnt.

Die Forscher imprägnierten eine Titandioxidelektrode mit dem Katalysatorkomplex für die Anode und benutzten eine Platinkathode. Sie tauchten die Elektroden in einer Salzlösung unter, aber getrennt ihnen von einander, um das Problem der Wasserstoff- und Sauerstoff-Wiederverbindung zu vermeiden. Heller Glanz der Notwendigkeit nur auf der färben-sensibilisierten Titandioxidanode, damit das System arbeitet. Diese Art der Zelle ist denen ähnlich, die Elektrizität produzieren, aber der Zusatz des Katalysators lässt die Reaktion das Wasser in seine Teilgase aufspalten.

Die Wasserspaltung erfordert 1.23 Volt, und die gegenwärtige experimentelle Konfiguration kann nicht durchaus erzielen, dass waagerecht ausgerichtet so die Forscher ungefähr 0.3 Volt von einer äußeren Quelle hinzufügen. Ihr gegenwärtiges System erzielt eine Leistungsfähigkeit von ungefähr 0.3 Prozent.

„Natur ist das nur 1 bis 3 Prozent leistungsfähig mit Fotosynthese,“ sagt Mallouk. „Das ist, warum Sie den Blechschrott von Ihrem Rasen nicht erwarten können, um Ihr Haus und Ihr Auto anzutreiben. Wir möchten die ganze Landfläche verwenden nicht müssen, die verwendet wird, damit die Landwirtschaft die Energie erhält, die wir benötigen von den Solarzellen.“

Die Forscher haben eine Vielzahl der Ansätze, zum des Prozesses zu verbessern. Sie planen, das Verbessern der Leistungsfähigkeit der Färbung, das Verbessern des Katalysators und die Justage der allgemeinen Geometrie des Systems nachzuforschen. Eher als kugelförmige Färbungskatalysatorkomplexe, konnte eine andere Geometrie, die mehr des reagierenden Bereichs hält, der für die Sonne und die Reaktionsmittel vorhanden ist, besser sein. Verbesserungen zur Gesamtgeometrie können auch helfen.

„An jeder Niederlassung im Prozess, gibt es eine Wahl,“ sagt Mallouk. „Die Frage ist, wie man die Elektronen erhält, um im korrekten Weg z.B. zu bleiben und ihre Energie nicht freizugeben und zum Grundzustand unten zu gehen, ohne irgendwelche zu tun Arbeit.“

Der Abstand zwischen Molekülen ist wichtig, wenn man die Rate der Elektronübertragung steuert und die Elektronen erhält, in denen sie gehen müssen. Indem sie einige der Abstände verkürzten und andere länger bildeten, würden mehr der Elektronen den korrekten Weg nehmen und ihre Energie setzen, um aufspaltenwasser zu bearbeiten und Produzierenwasserstoff.

Das US-Energieministerium stützte diese Forschung.