人工光合系统

内森·刘易斯教授向AZoM介绍了他对基于纳米科学的系统的研究和人工光合系统的发展。

请您介绍一下您的研究和您在2016年Pittcon上的展示?

我正在研究如何让一个基于纳米科学的系统像植物一样:吸收阳光、水和/或二氧化碳，直接制造出我们可以在基础设施中使用的燃料。

在Pittcon的演讲中，我讨论了我们如何将这一愿景实现到原则上可以制造的东西上的最新结果，并可以扩展到从这种来源产生大量能量。

在Vimeo上从azonnetwork的光合作用中创造燃料。

你是如何以及为什么要开发人工光合系统的?

我们正在开发一种人工光合系统，因为可再生太阳能和风能的间歇性是大规模实施它们的主要技术障碍。

每天晚上，太阳都会在当地消失，而且会有好几天不刮风。为了建立一个完整的能量系统，你必须以某种方式储存能量。除了原子核之外，最密集的能量储存形式是化学键。

目前最好的电池的能量密度是每公斤200瓦时，但汽油的能量密度是每公斤12000瓦时。很明显，将太阳能这样的间歇性资源储存起来以供需要时使用的最好方法是将其储存在化学燃料中，就像大自然在几千年到几十万年的时间里通过光合作用产生化石能源一样。

我们希望在足够短的时间内更有效地使用它，这样它就可以持续使用，而不是像化石燃料那样只使用一次。

潜在的应用是什么?

人工光合作用的一个潜在应用是创造一种所谓的“临时燃料”，这种燃料的来源对消费者来说是完全透明的，你不知道汽油、柴油、化肥或塑料是来自可再生能源、太阳能还是化石能源。

他们会生产同样的产品，只是以一种碳中和、可扩展、可持续的方式，同时对我们的能源和环境未来是安全的。

请您概述一下您的模块化并行开发方法?

我们的方法包括使用两个光系统，就像光合作用一样。太阳能电池有一个照相系统和一个光吸收器，但要制造燃料，你需要两个照相系统来获得足够的电压，就像两个串联的电池来提供足够的电压来为激光笔供电一样。

我们有两个这样的光吸收器:一个吸收蓝色的光并通过红色的光，另一个吸收红色的光。与自然光合作用相比，这是一个优势，因为光系统1和光系统2中的叶绿素都是相同的颜色，所以它们会争夺光子。

相反，蓝色和红色的吸收器将相互补充，共同产生更高的效率，并从太阳光谱中吸收更多的光子。

除了纳米结构的两种吸收剂，我们还需要两种催化剂:一种催化剂从水中进化出氧气，另一种催化剂减少水和/或二氧化碳来制造燃料。

所以这个体系是:两个吸收剂，两个催化剂和一个膜把整个体系结合在一起，同时也把产物分开。否则，如果你在活性催化剂上进行重组，制造氢气和氧气的爆炸性混合物，那就是不安全的。我们必须有一个膜来确保安全，以及分离产品的效率。

这就是蓝图:两种吸收剂，两种催化剂，和一层膜。然后我们必须把所有的部分放在一起，确保它们在相同的条件下工作，它们是有效的，它们与我们可以收获的太阳光谱的所有部分一起工作，以获得我们需要的能量来建立和打破化学键。

你的设计原则是什么?

我们的设计原则是从自然光合作用的灵感中绘制出来的，但它们的采用方式与鸟类使用羽毛飞行相同，飞机不是用羽毛建造的，飞得更快更远。

我们确实有两种光系统的想法，就像在自然光合作用中一样，但我们不使用叶绿素，因为我们使用更稳定的无机材料，它们不会相互争夺光子。此外，我们想要一个很长的轴来吸收光线，但像白杨树一样，有一个很短的轴来移动载体。

这样我们就可以使用便宜得多的材料，因为激发态不需要沿着它们下降的方向向上移动——它们可以向侧面移动一小段距离。

由膜连接的纳米和微棒让我们可以使用非常便宜的材料，并将我们的催化剂放置在这个内部结构的任何地方，以获得最佳的吸收和电化学运输，以匹配整个系统的协同集成，并使整个功能不仅仅由单个部分或它们的组合决定。

光阳极和光阴极由什么组成，为什么?

光阳极和光阴极是两种不同的材料，我们仍然需要研究使它们在相互兼容的条件下工作，在膜和催化剂起作用的地方。

我们可以在碱性介质或酸性介质中工作，得到一个安全的系统，这样我们就可以中和pH值梯度，通过质子和电子运动或者氢氧化物和电子运动。这是我们仅有的两个选择。为了做到这一点，我们需要阳极和阴极在膜允许我们工作的相同条件下保持稳定。

对于硅，我们已经证明，我们可以用催化硅光电阴极将水还原为氢，但硅在碱性介质中不稳定:它会腐蚀。我们可以在酸中工作，但我们还没有在酸中稳定的光阳极。另一方面，我们有一个受保护的光阳极，它在碱性介质中是稳定的，我们可以在碱性介质中保护硅。

我们有各自的部分，但目前它们不能同时工作，这是我们开发计划的下一步，为了证明我们可以构建一个完整的系统，而不仅仅是单个的部分，而且它们可以一起工作。

你是如何在牺牲能源转换效率的同时将成本降至最低的?

这样一个系统的美妙之处在于它从一开始就被设计出来，由下至上，是一种可以扩展、制造和低成本的东西。我们现在就可以用一个光伏装置来制造燃料，并通过一个电源连接到一个电解装置，这两者都是商业化的，并且构成了一个非常昂贵的燃料生产系统。

与之相关的是，想象一个你可以展开的多层织物，它可以吸走空气中的水蒸气并吸收阳光，以一种非常简单、无缝的方式吸走你的产品，就像安装AstroTurf而不是在电解槽上安装太阳能电池板一样。

这是我们开始时的形式因素，有一个塑料薄膜，由我们的多层织物连接起来，这些纳米纤维或微纤维可以从空气中吸走水蒸气，并在下面吸出我们的产品。这就是我们解决成本问题的方法，我们用可扩展的制造方法来生产材料，否则效率会很低，除非在这个架构中。我们可以将可伸缩性、低成本和效率集成到这个形式因素中。

当前的技术是否在某种程度上限制了你的研究?

目前我们的研究局限在我们所说的“设计材料”上。我们知道我们想要的功能:我们想要一个阳极;我们需要一个阴极;我们希望催化剂不是稀缺的，并且是可扩展的和廉价的;我们希望这种膜在大面积使用时性能不高，也不太昂贵。

我们知道我们想要的功能，但我们没有能够提供这些功能的材料，不仅是单独的，而且是结合在一起形成一个无缝运行的系统。

我们的创造力和能力限制了我们发明和发现这些我们想要设计的材料，所以我们使用理论，我们使用定向实验，我们使用高通量实验。作为材料化学家，我们使用所有的工具来尝试和开发兼容的系统，以满足我们的性能规范。

图片来源:Greg Brave/shutterstock.com

你认为这个领域的未来如何?

这一领域的未来清楚地表明，我们可以继续这样类比:“成为莱特兄弟，让这架飞机飞起来”。

我们想要以一种可扩展的，可持续的方式，制造一种人工光合系统，其效率比生长最快的作物高10倍，并制造一种我们可以直接从太阳中使用的燃料。如果我们这样做，那么历史表明，人类非常善于创新和开发下一代技术。

让它更快，更好，更便宜，更换催化剂，优化设计，通过系统的进化把莱特兄弟变成787，这也需要发明，但这第一次飞跃是我们的目标，试图证明这是真的可能的，而不仅仅是一个演示中的方案。

然后，我们可以形成思考新一代材料和新性能属性的基础，以增强系统，使其能够大规模商业化。

在Pittcon，你觉得哪些演讲特别有趣，并且与你的研究相关?

在我参加的会议上，纳米材料当然非常有趣，而且与我的研究相关，无论是具体的还是一般的。我听说了一些可以广泛应用的原位表征、电催化剂的operando表征和电化学界面的新方法。

我们听说了膜和氧化还原液流电池的新设计，可以特别适用于以新的方式帮助我们的燃料形成反应充放电。我们还听到了许多其他交叉方面的情况。

我们对把催化剂放在三维网络的正确位置非常感兴趣。我们是应该在顶端有小的尖尖结构来进化气泡，还是应该把催化剂更深入到结构中，这样我们就可以看到气泡折射光到我们设计的棒上的电化学传输?

这些概念，电化学的三维性质，离子输运，质量输运，以及展会上供应商提供的一些新工具，都非常有助于我们思考研究的前进道路。

你认为人们从参加Pittcon中获得的主要好处是什么?Pittcon对你意味着什么?

Pittcon为像我这样的人是独一无二的,因为专业知识的结合在电化学和化学分析,以及通过展览和看到最新的工具,您可以使用它们来推进你的研究在某种程度上是很难找到的组合更专业协会会议上,或将有更多的科学而不是展览之间的混合,以及科学。这就是Pittcon真正突出的地方。

Pittcon可以为你做什么从AZoNetwork上的Vimeo。

关于Nathan Lewis教授

Nathan S. Lewis博士是加州理工学院George L. Argyros化学教授。

刘易斯教授是贝克曼研究所分子材料资源中心的首席研究员。他的研究方向包括人工光合作用和电子鼻。内特继续研究利用阳光的方法，并通过分解水产生氢来产生化学燃料。

他正在开发电子鼻，该电子鼻由化学敏感导电聚合物薄膜组成，能够检测和量化各种各样的分析物。技术细节集中在表面和过渡金属配合物的光诱导电子转移反应，半导体/液体界面的表面化学和光化学，导电有机聚合物和聚合物/导体复合材料的新用途，以及使用模式识别算法识别气味的传感器阵列的开发，模仿哺乳动物的嗅觉过程。