化学发现可以使太阳能更高效

2020-02-06 15:35:38

科学家们首次开发出一种既能有效吸收阳光又能将太阳能转化为氢的催化剂的单分子,氢是天然气燃料汽车等燃料的清洁替代品。

这个新分子从整个可见光谱中收集能量,可以利用的太阳能比目前的太阳能电池多50%。这一发现可以帮助人类从化石燃料向无助于气候变化的能源过渡。

研究人员在《自然化学》上发表的一项研究中概述了他们的发现。该研究小组由领导 克劳迪娅图罗,一个 化学 教授和美国俄亥俄州立大学的 化学和生物物理动力学中心。

“整个想法是,我们可以使用来自太阳的光子并将其转换为氢。简而言之,我们正在节省阳光中的能量并将其存储为化学键,以便以后使用。” Turro说。

光子是包含能量的太阳光的基本粒子。

研究人员首次表明,有可能从整个可见光光谱中收集能量,包括低能红外光,这是以前很难收集的一部分太阳光谱,并可以快速,有效地进行转换。高效地转化为氢。氢是一种清洁燃料,这意味着它不会产生碳或二氧化碳作为其使用的副产品。

“使该系统起作用的原因是该系统能够使分子处于激发态,在该状态下它吸收光子并能够存储两个电子以产生氢,” Turro说。“将两个电子存储在源自两个光子的单个分子中,并一起使用以制造氢,这是前所未有的。”

将来自太阳的能量转化为汽车燃料,首先需要一种收集能量的机制。然后,该能量必须转化为燃料。这种转化需要一种称为催化剂的物质,这种物质可以加速化学反应,从而使太阳能转化为氢等可用能源。

以前大多数收集太阳能并将其转化为氢的尝试都集中在太阳光的较高能量波长上,例如紫外线。

先前的尝试还依赖于由两个或多个分子构成的催化剂,这些分子在利用太阳能发电的过程中交换电子(即能量)。但是交换中会损失能量,从而使这些多分子系统的效率降低。

Turro说,依靠单分子催化剂进行的一些尝试也是无效的,部分原因是它们没有从可见光的全部可见光谱中收集能量,部分原因是催化剂本身迅速降解。

她说,Turro的研究团队想出了如何仅用一个分子(一种元素铑的形式)制造催化剂的方法,这意味着损失的能量更少。他们发现了如何从红外到紫外线(整个可见光谱)收集能量。这项研究表明,该研究小组设计的系统在低能量的近红外光下的效率比以前使用紫外线光子的单分子系统高出近25倍。

在这项研究中,研究人员使用LED将光照射到含有活性分子的酸性溶液上。当他们这样做时,他们发现产生了氢气。

她说:“我认为它起作用的原因是该分子很难被氧化。” “而且我们必须拥有可再生能源。试想一下,如果我们可以使用阳光代替煤炭,天然气或石油作为能源,那么我们将如何应对气候变化。”

Turro说,在将研究小组的发现应用于实际应用之前,还有很多工作要做。铑是稀有金属,由铑生产催化剂很昂贵。研究小组正在努力改善这种分子,使其在更长的时间内产生氢,并正在努力从较便宜的材料中构建催化剂。

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