人工光合系统

内森·刘易斯教授向AZoM讲述了他对基于纳米科学的系统的研究以及人工光合作用系统的开发。欧洲杯线上买球

请您介绍您的研究以及您在Pittcon 2016上呈现的内容？

我正在研究如何让一个基于纳米科学的系统做一个植物所做的事情:利用阳欧洲杯线上买球光、水和/或二氧化碳，直接制造一种燃料，我们可以在我们的基础设施中使用。

在pitcon的演讲中，我讨论了我们如何将这一设想付诸实践，使其在原则上可以制造出来，并可按比例从这种能源中产生大量能量。

从Vimeo的Azonetwork创造燃料。

您如何以及为什么开发人造光合系统？

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。

当地的太阳每天晚上都会熄灭，有很多天没有风。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，储存能量最密集的形式是化学键。

最好的电池的能量密度是每公斤200瓦时，而汽油的能量密度是每公斤12000瓦时。所以很明显,最好的办法把一个间歇性资源像太阳能和存储它,这样就可以将提供在化学燃料需求存储它,就像大自然一样让所有化石能源的光合作用数千年来对许多人来说,许多成千上万年。

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，而不是像我们使用化石燃料那样只使用一次。

潜在的应用是什么?

人造光合作用的潜在应用是创造了所谓的燃料 - 这是一个完全透明的燃料，即其源头到消费者，你不知道汽油，柴油，肥料或塑料是否来自从可再生源，太阳或化石能源。

他们会产生相同的产品，只是以碳中性，可扩展，可持续的方式，这是我们的能源和环境未来的安全。

你能概述你的模块化，并行开发方法吗？

我们的方法包括使用两种光系统，就像光合作用一样。一个太阳能电池有一个光系统和一个光吸收器，但要制造燃料，你需要两个光系统来获得足够的电压，就像两个电池串联起来提供足够的电压来驱动激光笔。

我们有两个这样的光吸收器:一个吸收蓝色，通过红色，第二个吸收红色。与自然光合作用相比，这是一个优势，因为光系统一和光系统二中的叶绿素是相同的颜色，所以它们会争夺光子。

相反，蓝色和红色吸收剂可以互补，共同工作以产生更高的效率，并从太阳光谱中吸收更多的光子。

除了我们纳米结构的两个吸收剂之外，我们需要两种催化剂：一种催化剂来从水中进化氧气，另一个催化剂，以减少水和/或二氧化碳以制造燃料。

因此该系统是：两个吸收器，两个催化剂和膜一起将系统固定在一起，还要分开产品。否则，如果您在活性催化剂上制作氢和氧的爆炸性混合物，则简单地是不安全的。我们必须有一个膜来确保安全，以及将产品分开效率。

这就是蓝图:两个吸收剂，两个催化剂和一个膜。然后我们必须把所有的碎片在一起,确保他们的工作在相同的条件下,他们效率,和它们功能与太阳光谱的所有的部分,我们可以收获,为了得到我们所需要的能量和打破化学键。

你的设计原则是什么？

我们的设计原则从自然光合作用的灵感中映射出来，但它们采用了相同的方式，尽管鸟类用羽毛飞行，飞机不会被羽毛之外的飞行速度迅速且进一步地飞行。

我们确实有两张照片系统的想法，就像在天然光合作用中一样，但我们不使用叶绿素，因为我们使用更稳定的无机材料，不要互相打击光子。欧洲杯足球竞彩另外，我们希望一个非常长的轴吸收光线，但像白杨树一样，具有非常短的轴来移动载体侧面。

这样我们就可以使用更便宜的材料，因为兴奋的州不必以同样的方式恢复所欧洲杯足球竞彩有的方式 - 他们可以横向距离。

由膜连接的纳米和微棒让我们可以使用非常便宜的材料，并将催化剂放置在我们想要的内部结构的任何地方，以获得最佳的吸收和电化学传输，以匹配整个系统的欧洲杯足球竞彩协同集成，让整个函数不仅仅由单个部分或它们的总和决定。

光电阳极和光电阴极由什么组成，为什么?

光电阳极和光电阴极是两种不同的材料我们还需要研究才能让它们在相互兼容的条件下发挥作用，在膜和催化剂的作用下。欧洲杯足球竞彩

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梯度，通过质子和电子在一起或者氢氧根和电子在一起。这是我们唯一的两个选择。为了做到这一点，我们需要在膜允许我们工作的相同条件下稳定的阳极和阴极。

对于硅，我们已经证明我们可以用催化的硅光电阴离区将水降低到氢气中，但硅在碱性介质中不稳定：它蚀刻。我们可以用酸性工作，但我们还没有酸稳定的光电码。另一方面，我们确实有一个受保护的光电码，碱性介质稳定，我们可以保护碱性介质中的硅。

We have pieces of each but currently they don’t all work together at once, which is the next step in our development program, in order to demonstrate that we can build a whole system, not just individual parts, and that they can work all together.

您如何最小化成本，同时牺牲能量转换效率？

这样一个系统的美妙之处在于，它从一开始就被设计成自下而上的，可以规模化、制造和低成本的。我们现在可以从光伏装置中制造燃料，并通过电源连接到电解装置，这两种装置都是商业化的，组成了一个非常昂贵的燃料生产系统。

相对于此，想想一个你可以展开的多层面料，这可能会从空气中掏出水蒸气并吸收阳光，并以非常简单的无缝的方式吸收你的产品，很像安装Astroturf而不是安装太阳能电池板到电解器。

这是我们开始的形状因素，有一个塑料薄膜由我们的多层织物连接，这些纳米纤维或微纤维可以吸收空气中的水蒸气并将我们下面的产品吸走。这就是我们解决成本问题的方法，我们使用可扩展的制造方法来制造效率低下的材料，除非在这个架构中。欧洲杯足球竞彩通过将它们集成到这种形式，我们可以结合可伸缩性、低成本和效率。

当前的技术是否在某种程度上限制了你的研究?

我们目前研究的局限仍然在于我们所说的“设计材料”。欧洲杯足球竞彩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，而是可扩展的，便宜的;我们希望这种薄膜在大面积使用时不需要高性能或非常昂贵。

我们知道我们想要的功能，但我们没有可以提供这些功能的材料，不仅是单独的，也没有可以整合成一个无缝功能系统的材料。欧洲杯足球竞彩

我们的创造力和发明和发现我们想要设计的材料的能力是有限的，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。欧洲杯足球竞彩我们使用我们所有的工具作为材料化学家，以尝试和开发兼容的系统，将满足我们的性能规范。欧洲杯足球竞彩

图片来源:Greg Brave/shutterstock.com

你认为这个领域的未来会怎样?

这个领域的未来清楚地表明，我们可以继续用这个类比:“成为莱特兄弟，让这架飞机飞起来”。

我们想要制造一个可伸缩的、可持续的人工光合系统，其效率是生长最快的作物的10倍，并制造一种我们可以直接在基础设施中使用的太阳能燃料。如果我们这样做，那么历史表明，人类非常善于创新和发展下一代技术。

使其更快、更好、更便宜、更换催化剂和优化设计,并将莱特兄弟在787年代进化的系统也需要发明,但它是第一个飞跃,是我们的目标,试图证明这是可能的,不仅仅是一个演示方案。

然后，我们可以形成思考新一代材料和新性能属性的基础，以加强系统，使其能够大规模商业化。欧洲杯足球竞彩

你觉得pitcon的哪些演讲特别有趣，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欧洲杯足球竞彩，无论是具体的还是一般的。我听说了电催化剂的原位表征、操作表征和电化学界面的新方法，它们可以广泛应用。

我们听说过膜和氧化还原电池的新设计，可以专门适用于以新的方式帮助收取和放电我们的燃料形成反应。我们听说了许多其他横切方面。

我们对把催化剂放在三维网络中合适的位置非常感兴趣。我们是应该在顶端有小的尖结构来进化气泡，还是应该在结构的更深处放催化剂这样我们就能看到气泡的电化学传输将光线折射到我们设计的棒中?

这些概念，电化学，离子运输，大规模运输以及供应商在展览会上提供的一些新工具的概念非常相关，以帮助我们在我们的研究中思考前进的道路。

你认为参加pitcon会给人们带来什么主要好处?pitcon对你来说意味着什么?

pitcon对像我这样的人来说是独一无二的，因为它结合了电化学和分析化学的专业知识，以及能力去通过展览,看到最新的工具,您可以使用它们来推进你的研究的方式,结合社会很难找到会议更专业,或将有更多的科学而不是展览之间的混合,以及科学。欧洲杯线上买球这就是pitcon脱颖而出的地方。

Pittcon能为您做什么从azonnetwork在Vimeo。

关于Nathan Lewis教授

内森博士刘易斯是加州理工学院加州理工学院的乔治L. Argyros教授。

刘易斯教授是贝克曼研究所分子材料资源中心的主要调查员。欧洲杯足球竞彩他的研究兴趣包括人造光合作用和电子鼻子。Nate继续研究方法来利用阳光，通过分裂水来产生化学燃料以产生氢气。

他正在开发电子鼻，它由化学敏感的导电聚合物薄膜组成，能够检测和定量多种分析物。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，以及利用模式识别算法识别气味的传感器阵列的发展，模仿哺乳动物的嗅觉过程。