Nanotechnologia

Średnia zużycia paliw transportowych na całym świecie wynosi obecnie kilkanaście terawatów na sekundę (1 terawat = 1012 dżuli). Kluczem do rozwoju technologii pozyskiwania paliwa słonecznego, które mogłoby zastąpić paliwa kopalne, jest odkrycie sposobu na pozyskiwanie energii na poziomie terawatów. Jedyną istniejącą „technologią”, która umożliwia produkcję tak ogromnej ilości związków jest fotosynteza.

Fotosynteza, składa się z dwóch kluczowych reakcji – redukcji dwutlenku węgla i utleniania wody. Te etapy zachodzą różnych warunkach. Muszą zatem być oddzielone fizyczną barierą. Jednak by proces był efektywny, odległość między środowiskami reakcji powinna być jak najmniejsza – na poziomie nanometrów. Heinz Frei, starszy pracownik naukowy wydziału Biosciences’ Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB), wyjaśnia, że w przypadku naturalnego procesu fotosyntezy te dwa warunki są z łatwością spełniane. Znacznie trudniej osiągnąć je w sztucznych fotoukładach.

Frei podjął współpracę z Eranem Edrim, obecnym pracownikiem Uniwersytetu Ben-Guriona oraz z Shaulem Alonim z ośrodka badawczego Molecular Foundry. Wspólnie opracowali bezprecedensową metodę tworzenia sztucznych fotoukładów o wielkości 6,45cm²  w formie nieorganicznych nanorurek o strukturze core-shell.

Technika opisana w artykule opublikowanym w magazynie ACS Nano zakłada użycie siatki złożonej z krzemowych pręcików, połączonej z powłoką atomową oraz techniki trawienia krzemu w warunkach kriogenicznych, co umożliwia kontrolę charakterystycznej skali długości elementów w ośmiu rzędach wielkości. Siatka jest wykonana w makroskali, ale jej poszczególne elementy mają średnicę kilkuset nanometrów, natomiast grubość ścianek wynosi zaledwie kilkadziesiąt nanometrów.

Wewnętrzna strona nanorurek wykonanych z tlenku kobaltu stanowi miejsce katalityczne dla utleniania wody. Jest ona oddzielona ultracienką warstwą dwutlenku krzemu od miejsca redukcji dwutlenu węgla oraz absorbera światła, które znajdują się na zewnętrznej stronie nanorurek. Dwutlenek krzemu umożliwia przepływ protonów i zatrzymuje cząsteczki tlenu. Pomimo różnych warunków zachodzących reakcji, udało się stworzyć wytrzymałą nanokonstrukcję opartą na tlenkach. Zawiera ona organiczne struktury molekularne umożliwiające przepływ elektronów bez naruszania poszczególnych komponentów siatki.

Stanowi ona podstawę rozwoju technologii pozyskiwania paliwa słonecznego w nowych miejscach, nieobfitujących w roślinność.

Źródło: https://nano-magazine.com/news/2018/4/13/artificial-photosynthesis-from-core-shell-nanotube-array

Redaktorka: Emilia Michałowska