16 mai 2013 – In urma sobrelor stiri despre dioxidul de carbon din atmosfera care este acum la cel mai inalt nivel din cel putin trei milioane de ani, un avans important in cursa pentru dezvoltarea unor surse de energie regenerabila fara carbon a fost atins.

         Oamenii de stiinta ai Departamentului de Energie al SUA (DOE) din Laboratorul National Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) au raportat primul nanosistem complet integrat de fotosinteza artificiala. In timp ce "frunza artificiala" este termenul popular pentru un astfel de sistem, cheia acestui succes a fost o "padure artificiala".

         Schema arata nanofirele TiO2 (albastre), cultivate in jumatatea superioara a unui nanofir Si (gri) si cele doua regiuni diferite de absorbtie ale spectrului solar. Figurile arata perechi de gauri de electroni photoexcitati, separate la interfata semiconductorului-electrolit, pentru a efectua disocierei ale apei cu ajutorul co-catalizatorilor (punctele galbene si gri). (Credit: Pentru imagine, multumim DOE / Lawrence Berkeley National Laboratory)

        "Similar cu cloroplastele din plantele verzi, care desfasoara fotosinteza, sistemul nostru de fotosinteza artificiala este compus din doua semiconductoare ce absorb lumina, un strat interfacial pentru transportul sarcinii si co-catalizatori separati spatial", spune Peidong Yang, un chimist de la Divizia Stiintifica de Materiale de la Laboratorul Berkeley , care a condus aceasta cercetare. "Pentru a facilita divizarea solara a apei din sistemul nostru, am sintetizat heterostructuri de nanofire in forma de copac, constand din trunchiuri de siliciu si ramuri din oxid de titan. Vizual, dispunerea acestor nanostructuri seamana foarte mult cu o padure artificiala".

         Yang, care are, de asemenea, intalniri cu Departamentul de Chimie si Departamentul de Stiinta si Inginerie a Materialelor ale Universitatii Berkeley din California, este autorul corespunzator al unui document care descrie aceasta cercetare, in jurnalul NANO Letters. Lucrarea este intitulata "Un Nanosistem Complet Integrat de Nanofire Semiconductoare pentru Divizarea Solara Directa a Apei". Co-autori sunt Chong Liu, Jinyao Tang Hao Chen Ming si Bin Liu.

         Tehnologiile solare sunt solutiile ideale pentru energia regenerabila fara carbon – exista suficienta energie intr-o ora de lumina a soarelui, la nivel mondial, pentru a satisface toate nevoile umane pentru un an. Fotosinteza artificiala, in care energia solara este transformata direct in combustibili chimici, este considerata a fi una dintre cele mai promitatoare tehnologii solare. O provocare majora pentru fotosinteza artificiala este de a produce hidrogen suficient de ieftin pentru a concura cu combustibilii fosili. Atingerea acestui obiectiv necesita un sistem integrat care poate absorbi eficient lumina soarelui si sa poata produce purtatori de tensiune pentru a conduce separate reductia de apa si reactiile de oxidare pe jumatate.

         "In fotosintezele naturale, energia luminii solare absorbite produce purtatori de tensiune energizati ce executa reactii chimice in regiuni separate ale cloroplastului", spune Yang. "Am integrat heterostructura noastra de nanofire la o scara nanometrica intr-un sistem functional, care imita integrarea in cloroplaste si ofera un model conceptual pentru o eficienta mai buna de conversie solar-la-combustibil, in viitor".

          Cand lumina soarelui este absorbita de moleculele de pigment intr-un cloroplast, este generat un electron energizat, care se muta de la molecula la molecula printr-un lant de transport, pana cand, in cele din urma, duce la conversia dioxidului de carbon in zaharuri carbohidrati. Acest lant de transport de electroni este numit un "Z-sistem", deoarece modelul de miscare seamana cu litera Z pe partea sa. Yang si colegii sai folosesc, de asemenea, o schema-Z  in sistemul lor, doar ca ca folosesc doi semiconductori abundenti pe Pamant si stabil – siliciu si oxid de titan – incarcati cu co-catalizatori si cu un contact ohmic inserat intre ele. Siliciul a fost utilizat pentru fotocatodul generator de hidrogen si oxidul de titan pentru photoanodul generator de oxigen. Arhitectura asemanatoare unui copac a fost utilizata pentru a maximiza performantele sistemului. Ca si copacii dintr-o padure reala, dispunerile dense ale arborilor din nanofire artificiale suprima reflectia luminii soarelui si ofera o suprafeta mai larga de reactii producatoare de combustibil.

          "Sub influenta luminii, perechile de gauri de electroni fotoexcitati sunt generate in siliciu si oxid de titan, care absorb diferite regiuni ale spectrului solar", spune Yang. "Electronii foto-generati in nanofire de siliciu migreaza spre suprafata si impiedica protonii sa genereze hidrogen, in timp ce orificiile foto-generate din nanofirele de oxid de titan oxideaza apa, pentru a evolua moleculele de oxigen. Majoritatea purtatorilor de sarcina de la ambii semiconductori se recombina la contactul ohmic , completand releul schemei-Z, similar cu cel al fotosintezei naturale".

          Sub lumina simulata a soarelui, acest sistem de nanofire integrate bazat pe fotosinteza artificiala a realizat un randament de conversie solar-carburant de 0,12 la suta. Desi comparabil cu unele eficiente naturale de conversie fotosintetica, aceasta rata va trebui sa fie imbunatatita substantial pentru uz comercial. Cu toate acestea, designul modular al acestui sistem permite componentelor individuale nou descoperite sa fie incorporate cu usurinta, pentru a imbunatati performanta. De exemplu, Yang noteaza ca productia de fotocurent din catozii de siliciu si anozii din oxid de titan ai sistemului nu se potrivesc si ca productia inferioara de fotocurent din anozi limiteaza performanta generala a sistemului.

          "Avem cateva idei bune pentru a dezvolta fotocanozi stabili cu o performanta mai buna decat oxidul de titan", spune Yang. "Suntem increzatori ca vom fi in masura sa inlocuim anozii din oxid de titan in viitorul apropiat si sa impingem eficienta de conversie a energiei pana la procente cu o singura cifra".

           Aceasta cercetare a fost sustinuta de Biroul de Siinta al DOE.

5 motive pentru care puteti deveni  PARTENER  Add-Energy Renewable Romania

Pentru  a deveni PARTENER  ADD ENERGY ,accesati  sectiunea      

Pentru mai multe detalii accesati sectiunea