Перевод: nesorim.ru
Источник:Университет штата Иллинойс в Урбана-Шампейн
Резюме:Ученые на один шаг ближе к созданию системы утилизации углерода, которая может собирать солнечную энергию для эффективного преобразования CO2 и воды в жидкое топливо. По словам исследователей, оптимизируя многие части системы, теперь они могут управлять двухэлектронными химическими реакциями, что является существенным продвижением по одноэлектронным реакциям, которые неэффективны в энергии.
При правильных условиях наночастицы золота поглощают свет и переносят электроны на другие реагенты. Этот процесс может быть использован для конверсии СО2 и воды в углеводороды. На графике атомы углерода черные, атомы кислорода красные, а атомы водорода — белые.
Ученые на один шаг ближе к созданию системы утилизации углерода, которая может собирать солнечную энергию для эффективного преобразования CO 2 и воды в жидкое топливо.По словам исследователей, оптимизируя многие части системы, теперь они могут управлять двухэлектронными химическими реакциями, что является существенным продвижением по одноэлектронным реакциям, которые неэффективны в энергии.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Chemistry , поможет тем, кто надеется найти способ превратить избыток углекислого газа в атмосферу в полезные источники энергии, сказал профессор химии Университета штата Иллинойс Прашант Джайн, который возглавил новое исследование.
«Ученые часто смотрят на заводы, чтобы понять способы превращения солнечного света, углекислого газа и воды в топливо», — сказал он.
Когда солнечная энергия поражает листья растений, она возбуждает электроны в хлорофилле. Эти возбужденные электроны в конечном счете приводят к химии, которая превращает углекислый газ и воду в глюкозу.
«Многие из этих химических реакций — многопротонные, многоэлектронные реакции», — сказал Джейн.
Но вместо того, чтобы полагаться на биодеградируемые растительные пигменты для преобразования световой энергии в химическую энергию, ученые обращаются к чему-то лучшему: электронно-обогащенные металлические катализаторы, такие как золото, которые при определенных интенсивностях света и длинах волн могут передавать фотовозбужденные электроны и протоны в реагенты без деградации или использованный.
«В нашем исследовании мы использовали сферические частицы золота размером от 13 до 14 нанометров», — сказал Джейн. «Наночастицы обладают уникальными оптическими свойствами, в зависимости от их размера и формы».
Например, если они покрыты полимером и подвешены в воде, наночастицы поглощают зеленый свет и отражают темно-красный цвет. При легком возбуждении наночастицы переносят электроны для зондирования молекул, которые затем меняют цвет. Это позволяет ученым измерять, насколько эффективно происходят реакции переноса электронов.
«В прошлом исследователи использовали фотохимию и эти светопоглощающие материалы для передачи одного электрона за раз», — сказал Джейн. «Но в новом исследовании мы определили принципы и правила и условия, при которых металлический наночастиц может передавать два электрона за раз».
Изменяя интенсивность лазерного излучения, использованного в экспериментах, Джейн и его коллеги обнаружили, что в четыре-пять раз интенсивность солнечной энергии золотые наночастицы в системе могли передавать до двух электронов за один раз от этанола к электронно- поглощающему зонду.
Jain сказал, что двухэлектронные реакции намного предпочтительнее одноэлектронных реакций.
«Вам нужна пара электронов, чтобы обеспечить связь между атомами», — сказал он. «Когда вы не предоставляете пару электронов и пару протонов, чтобы нейтрализовать потерю электронов, вы в конечном итоге делаете свободные радикалы, которые очень реактивны и могут реагировать, теряя энергию, которую вы использовали для создания они также могут реагировать с другими химическими веществами или разрушать ваш катализатор ».
Джейн также пришел к выводу, что недавние эксперименты, проведенные его лабораторией с использованием той же системы, также влекут за собой многоэлектронные, мультитронные передачи. В этих экспериментах его лаборатория превратила СО 2 в этан, двухуглеродное соединение, которое более богато энергией, чем метан, который содержит только один углерод. Джейн и его коллеги надеются в конечном итоге создать пропан, который имеет трехуглеродную основу и бутан, у которого четыре.
«С точки зрения химии интересно понять правила сложения атомов углерода вместе», — сказал Джейн. «Перенос более одного электрона за один раз, активируя более одной молекулы диоксида углерода за один раз на поверхности катализатора наночастиц, мы можем получить доступ к высшим углеводородам».
Хотя новые результаты представляют собой важный шаг вперед, необходимо сделать гораздо больше работы, прежде чем эта технология будет готова к использованию и будет расширяться для решения текущих задач, сказал Джейн.
«Нам еще предстоит пройти долгий путь. Думаю, нам понадобится по крайней мере десять лет, чтобы найти практическое сокращение выбросов CO 2 , CO 2 -фиксацию, технологии топливного образования, которые являются экономически осуществимыми», — сказал он. «Но каждое понимание процесса улучшает темпы, с которыми исследовательское сообщество может двигаться».
