数百万年来，绿色植物利用光合作用从太阳光中捕获能量并将其转化为电化学能。科学家们的目标是开发一种人工形式的光合作用，可用于从二氧化碳和水中生产液体燃料。
美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员现已朝着这一目标迈出关键一步，发现纳米级氧化钴晶体可以有效地进行分裂水分子的临界光合反应。
“将水分子氧化成氧，电子和质子(氢离子)是人工光合作用系统的两个必要的半反应之一 - 它提供了将二氧化碳减少为燃料所需的电子，”Heinz Frei，化学家说。伯克利实验室的物理生物科学部门与他的博士后研究员冯娇一起进行了这项研究。“有效的光氧化需要一种既能有效利用太阳光子又能足够快地跟上太阳光通量的催化剂，以避免浪费那些光子。氧化钴纳米晶体的团簇足够有效且快速，并且也是坚固的(持续很长时间)和丰富的。他们非常适合这项法案。“
Frei和Jiao在Angewandte Chemie期刊上报道了他们的研究结果。这项研究是通过Helios太阳能研究中心(Helios SERC)进行的，这是Berkeley实验室在Paul Alivisatos指导下的一项科学计划，旨在开发阳光燃料。Frei担任Helios SERC的副主任。
用于生产液体燃料的人工光合作用提供了可再生和碳中性运输能源的前景，这意味着它不会导致燃烧石油和煤炭导致的全球变暖。我们的想法是通过整合到单个平台的光捕获系统来改进长期服务于绿色植物和某些细菌的过程，该系统可以捕获太阳光子和可以氧化水的催化系统 - 换句话说，人造叶子。
“为了利用光学吸收，电荷传输和催化性能可通过离散无机分子结构控制的灵活性和精确性，我们一直在使用二氧化硅中的多核金属氧化物纳米团簇，”Frei说。“在早期的工作中，我们发现氧化铱的效率和速度足以完成这项工作，但铱是地球上含量最少的金属，不适合大规模使用。我们需要一种同样有效但更丰富的金属。“
绿色植物在称为光系统II的蛋白质复合物中进行水分子的光氧化，其中含锰酶用作催化剂。模拟光系统II的基于锰的有机金属配合物已显示出作为水氧化的光催化剂的一些前景，但是一些具有水不溶性且没有一种非常稳固。
在寻找能溶于水并且比仿生材料更坚固的纯无机催化剂时，Frei和Jiao转向氧化钴，这是一种高丰度的材料，是一种重要的工业催化剂。当Frei和Jiao测试微米级氧化钴颗粒时，他们发现这些颗粒效率低，而且不够快，不足以作为光催化剂。然而，当他们将颗粒纳米尺寸时，这是另一个故事。
“氧化钴(Co 3 O 4)纳米级晶体簇的产率比微米级粒子高约1,600倍，”Frei说，“周转频率(速度)约为每秒1,140个氧分子集群，与地面的太阳能通量相当(约为每平方米1,000瓦)。“
Frei和Jiao使用介孔二氧化硅作为其支架，通过称为“湿浸渍”的技术在二氧化硅的天然平行纳米级通道内生长钴纳米晶体。最佳性能是棒状晶体，直径8纳米，50纳米长度，通过短桥相互连接形成捆绑簇。束的形状像直径为35纳米的球体。尽管钴金属本身的催化效率很重要，但Frei表示，提高效率和速度的主要因素是它们的尺寸。
“我们怀疑这些35纳米束的相对非常大的内部区域(催化发生的地方)是提高效率的主要因素，”他说，“因为当我们生产更大的束(65纳米直径)时，内部区域减少了，捆绑包失去了大部分效率。“
Frei和Jiao将进行进一步研究，以更好地了解为什么他们的氧化钴纳米晶体簇是如此高效和高速光催化剂，并且还在研究其他金属氧化物催化剂。然而，下一个重要步骤是将水氧化半反应与二氧化碳还原步骤结合在人造叶型系统中。
“我们的氧化钴纳米晶体簇的效率，速度和尺寸与Photosystem II相当，”Frei说。“当你考虑到氧化钴的丰度，使用中的纳米团簇的稳定性，适度的过电位以及温和的pH和温度条件时，我们相信我们有一个很有前景的催化成分，用于开发可行的集成太阳能燃料转换系统。这是燃料生产中人工光合作用领域的下一个重要挑战。“
Helios太阳能研究中心得到了美国能源部基础能源科学办公室科学办公室主任的支持。
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