Segredos da folha artificial revelou
Luz solar que cai sobre uma bolacha de silício revestido catalisador divide a água em hidrogênio e oxigênio.
"Folha artificial", água, luz solar: hey presto, é hidrogênio Clique para vê-lo em ação.dom Catalytix
Não é verde e não cresce, mas o wafer sentado em um copo de água no laboratório de Dan Nocera é notavelmente como uma folha.
Usando uma célula solar de silício revestido com catalisadores baratos e abundantes, o dispositivo usa luz solar para rasgar as moléculas de água, tal como uma folha de fotossíntese. Isso produz gases hidrogênio e oxigênio, que borbulhar de ambos os lados do wafer (ver vídeo ). Os detalhes são publicados hoje naCiência 1 .
Tal como acontece com a fotossíntese, o wafer em última análise, armazena energia solar como ligações químicas em um combustível: gás hidrogênio, que pode ser canalizada e armazenada, e sua energia liberada quando necessário.
O paralelo com a natureza não é exato: uma folha de verdade se inicia por rasgando a água, mas não termina com a expiração de hidrogênio. Em vez disso, ele desvia o hidrogênio em reações com dióxido de carbono, eventualmente, a criação de moléculas de açúcar. No entanto, Nocera, que trabalha no Instituto de Tecnologia de Massachusetts em Cambridge, diz que o conceito de sua equipe vai ajudar nos esforços para produzir hidrogênio, limpa e barata a partir de luz solar e água - casas, talvez, até mesmo permitindo que em países pobres, mas de sol para produzir seu próprio combustível em demanda. Ele fundou uma empresa, Sun Catalytix, também em Cambridge, para comercializar o seu dispositivo eletrolítico; seus apoiadores influentes incluem a multinacional conglomerado Tata Group.
James Durrant, um químico que pesquisas combustíveis solares do Imperial College London, descreve o dispositivo como "elegante". No entanto, "não, de repente, resolveu o problema de transformar energia solar em combustíveis", acrescenta. "Mas a idéia da folha artificial dá às pessoas uma visão inspiradora, é inegavelmente cool."
Outros não estão convencidos de maior utilidade do dispositivo. Se o hidrogênio é procurado em tudo, pode haver melhores formas de fazê-lo a partir da energia solar. Uma alternativa simples seria usar a eletricidade gerada por mais caro, mas mais eficiente, as células solares para separar a água.
Olha, sem fios!
Separação da água com a luz solar para produzir hidrogênio não é um truque novo. Químicos têm utilizado células solares para gerar eletricidade e enviou-o através de fios de catalisador coberta de eletrodos que dividir a água de hidrogênio, produzindo. Mas tais dispositivos usados tanto catalisadores caros (como rutênio ou platina) ou duras condições ácidas ou básicas a partir do qual a célula solar tiveram que ser separados, ou protegidas com vidro caras2 , 3 .
Uma face da folha artificial gera o hidrogênio, o oxigênio outras.dom Catalytix
Nocera e dispositivo de seu colega de trabalho é o primeiro a um par de células solares e catalisadores em um único dispositivo, sem fios no meio, eo primeiro a trabalhar em condições tão leve como a água da torneira. Trabalha mesmo com água do mar, Nocera diz, ele vem usando amostras a partir da próxima Charles River.
Natureza do sistema wireless é mais do que uma jogada de marketing. Dom Catalytix espera que ele vai permitir que a equipe para produzir pequenas partículas de catalisador revestido célula solar, a ser espalhados como uma pasta com água corrente. De acordo com uma análise encomendada pelo Departamento de Energia dos EUA, esta geometria poderia, em teoria, produzir hidrogênio solar mais barato do que um conjunto de painéis fotovoltaicos conectados a eletrodos revestidos catalisador, porque os painéis de vidro-backed são tão caros.
Todo o sistema baseia-se no catalisador barato que rasga elétrons da água para a produção de oxigênio, prótons e elétrons, que publicou detalhes de Nocera em 2008 4 (ver "Catalisador anunciado como avanço da energia solar" ). Este catalisador cobre um lado da célula solar de silício, com uma camada de óxido de índio e estanho ou óxido de estanho de flúor no meio para proteger a célula do oxigênio gerado.
Decisivamente, o catalisador é auto-cura, espontaneamente reformar o seu núcleo activo de óxido de cobalto-clusters sempre que é degradada na reação. Sua estrutura é bastante semelhante ao dos aglomerados de óxido de manganês que formam o complexo de oxigênio evolução, o centro ativo da proteína gigante fotossistema II, que deixa reais usam para separar a água.
Na pesquisa publicada hoje, Nocera foi adicionado um catalisador de liga tripla - feita de níquel, molibdênio e zinco - para o outro lado do wafer de silício. Prótons liberados quando a água é dividida fazem seu caminho para essa face, onde o níquel ajuda a reuni-los com os elétrons para formar hidrogênio.
São catalisadores suficiente?
Ninguém contesta a beleza da química. Mas se o sistema é realmente útil descerá para o quão caro o hidrogênio é fazer, e como eficiente o sistema pode usar a energia disponível da luz solar.
A folha da planta converte, em média, apenas 1% da energia que recebe de luz solar em ligações químicas. Nocera relatórios de eficiência de 2,5% para o seu dispositivo, incluindo fios que sobe para 4,7%. A maior parte das perdas vêm de semicondutor da célula solar não, os catalisadores eletrólise.
Mas John Turner, um especialista em produção de hidrogênio no Laboratório Nacional de Energia Renovável em Golden, Colorado, diz que a eficiência muito maior - em algum lugar os adolescentes - são necessários para fazer o melhor uso da luz solar limitada que cai em um telhado. "Catalisadores Nocera certamente abrir novas áreas", diz ele, "mas, em última instância, sem bons materiais semicondutores eles não terão impacto em termos de produção de hidrogênio fotoeletroquímico." O engate, Turner aponta, é que melhor as células solares são também mais caros. Para uma aplicação que Nocera sugere, no entanto - de produção, leve e portátil de hidrogênio para os militares - os custos elevados não pode ser um problema.
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Nocera diz que testes de laboratório com silicone de alta qualidade cristalina estão melhorando a eficiência do sistema.O aumento da condutância da solução ao redor ou perfuração de pequenos orifícios na semicondutores, através do qual prótons podem fluir, também pode ajudar.
Alguns pesquisadores consideram que a energia solar acabará por ser o melhor usado para produzir eletricidade durante o dia e armazenar energia em baterias durante a noite; de hidrogênio, que mantêm, será sempre muito caro de fazer e difícil de armazenar. Mas Nocera afirma que esses opositores não apreciam a novas perspectivas abertas pelo seu sistema sem fio, como a proposta para dispersar partículas como uma pasta através de grandes massas de água.
E o apelo puro da folha artificial é difícil de bater. Como James Barber, que pesquisa a fotossíntese do Imperial College London, diz: "Imagine ter um catalisador que pode cair em um copo de água em sua janela, gerando um combustível Você pode imaginar um mundo assim.?"
Referências
- Reece, SR et al. Ciênciahttp://dx.doi.org/10.1126/science.1209816 ( 2011 ).
- Rocheleau, RE, Miller, EL & Misra, A. Combustíveis Energia 12 , 30-10 ( 1998 ). | Artigo | ISI | ChemPort |
- Khaselev, O. & Turner, JA Ciência 280 , 425-427 ( 1998 ). | Artigo | PubMed | ISI | ChemPort |
- Kanan, MW & Nocera DG Ciência 321 , 1072-1075 ( 2008 ). | Artigo | PubMed | ISI | ChemPort |
