美国化学学会 信用:CC0公共领域 全球经济增长伴随着对能源需求的增加，但提高能源产量可能具有挑战性
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，现在他们想结合光合作用的机制来进一步推动这一进程
研究人员今天将在美国化学学会2020年秋季虚拟会议暨博览会上展示他们的结果
“我们想制造一个光催化系统，利用阳光来驱动对环境有重要意义的化学反应，”紫丁香·阿米拉夫博士说
D
，该项目的首席研究员
具体来说，她在以色列理工学院的团队正在设计一种光催化剂，可以将水分解成氢燃料
“当我们将棒状纳米粒子放入水中，并对其进行光照时，它们会产生正负电荷，”阿米拉夫说
“水分子断裂了；负电荷产生氢(还原)，正电荷产生氧(氧化)
这两个反应，包括正电荷和负电荷，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
" 如果相互吸引的正电荷和负电荷设法重新结合，它们相互抵消，能量就损失了
因此，为了确保电荷之间的距离足够远，该团队构建了独特的异质结构，由不同半导体的组合以及金属和金属氧化物催化剂组成
使用一个模型系统，他们分别研究了还原和氧化反应，并改变了异质结构以优化燃料生产
2016年，该团队设计了一种异质结构，将球形硒化镉量子点嵌入棒状硫化镉中
一个铂金属颗粒位于顶端
硒化镉颗粒吸引正电荷，而负电荷聚集在尖端
“通过调整量子点的大小和棒的长度，以及其他参数，我们实现了100%的阳光转化为水还原的氢气，”阿米拉夫说
她指出，一个单一的光催化剂纳米粒子每小时可以产生36万个氢分子
该小组在美国化学学会杂志《纳米快报》上发表了他们的研究结果
但是在这些实验中，他们只研究了反应的一半(还原)
为了正常运行，光催化系统必须支持还原和氧化反应
“我们还没有将太阳能转化为燃料，”阿米尔夫说
“我们仍然需要一个氧化反应，不断向量子点提供电子
“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的方法——寻找可以代替水被氧化的不同化合物——这种方法使他们产生苄胺
研究人员发现，它们可以从水中产生氢气，同时将苄胺转化为苯甲醛
“通过这项研究，我们已经将光催化过程转化为光合作用，也就是将太阳能真正转化为燃料，”阿米拉夫说
光催化系统将太阳能转化为可储存的化学键，最大值为4
2%的太阳能-化学能转换效率
“这个数字创造了光催化领域的新世界纪录，并使之前的纪录翻了一番，”她指出
“美国
S
能源部将5-10%定义为光催化制氢的“实际可行性阈值”
因此，我们即将实现经济可行的太阳能转化为氢气
" 这些令人印象深刻的结果促使研究人员去看看是否有其他化合物具有高的太阳能转化为化学物质的转化率
为此，该团队使用人工智能
通过合作，研究人员正在开发一种算法来搜索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获取灵感
植物细胞膜中的一种蛋白质复合物成功地与纳米粒子结合，该复合物包含光合作用的电路
Amirav说，到目前为止，这种人工系统已被证明是卓有成效的，它支持水的氧化，同时提供的光电流比其他类似系统产生的光电流大100倍
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