Исследование также представило ранее неизвестное свойство графена. Двумерная цепь атомов углерода не только дает и получает электроны, но и может также передать их в другое вещество.Водород находится фактически везде на планете, но элемент, как правило, соединяется другими элементами и должен быть отделен от кислорода в H2O, чтобы произвести бесплатный водород. Коммерческий процесс разделения использует природный газ, чтобы реагировать с перегретым паром, чтобы снять водородные атомы, производящие водородное топливо, но также и углекислый газ – побочный продукт парникового газа, который убегает в атмосферу.
Молодой генератор Аргонна, состоявший из многих крошечных собраний, является доказательством, что водород может быть произведен, не жгущий ископаемого топлива. Масштаб маленький, немного меньший, чем диаметр шелка паука. Повышение этого исследования в будущем может означать, что Вы могли заменить газ в своих автомобилях и генераторах с водородом – более зеленый выбор, потому что горящее водородное топливо выделяет только водяной пар.
«Многие исследователи обращаются к неорганическим материалам для новых источников энергии», сказала Елена Рожкова, химик в Центре Аргонна Наноразмерных Материалов, Офисе САМКИ Науки (Офис Базовых энергетических Наук) Пользовательское Средство. «Наша цель состоит в том, чтобы извлечь уроки из мира природы и использовать свои материалы в качестве стандартных блоков для инноваций».Для Рожковой этот конкретный стандартный блок вдохновлен функцией древнего белка, который, как известно, превратил свет в энергию. Исследователи давно знали о тех некоторых, одноклеточные организмы используют белок, названный бактериородопсином (bR), чтобы поглотить солнечный свет и протоны насоса через мембрану, создавая форму химической энергии. Они также знают, что вода может быть разделена на кислород и водород, объединив эти белки с диоксидом титана и платиной и затем выставив их ультрафиолетовому свету.
Есть всего одна оборотная сторона: диоксид титана только реагирует в присутствии ультрафиолетового света, который составляет всего лишь четыре процента полного солнечного спектра. Если бы исследователи хотели привести свои генераторы в действие с солнечным светом, они должны были бы изменить к лучшему это.Чтобы произвести большие количества водорода, используя видимый свет, исследователи искали новый материал.
Новому материалу было бы нужно достаточно площади поверхности, чтобы преодолеть электроны быстро и равномерно и повысить полную эффективность передачи электрона. Исследователям также была нужна платформа, на которой биологические компоненты, как bR, могли выжить и соединиться с катализатором диоксида титана: короче говоря, материал как графен.Графен – супер сильный, супер свет около полностью прозрачного листа атомов углерода и одного из лучших проводников электричества, когда-либо обнаруженного.
Графен должен свои удивительные свойства тому, чтобы быть двумерным.«У графена не только есть все эти удивительные свойства, но и это также ультратонко и биологически инертно», сказала Рожкова. «Его самое присутствие позволило другим компонентам самособираться вокруг этого, который полностью изменяется, как электроны перемещаются всюду по нашей системе».Мини-водородный генератор Рожковой работает как это: и белок bR и графеновая платформа поглощают видимый свет.
Электроны от этой реакции переданы к диоксиду титана, на котором эти два материала закреплены, делая диоксид титана чувствительным к видимому свету.Одновременно, свет от зеленого конца солнечного спектра вызывает белок bR, чтобы начать качать протоны вдоль его мембраны. Эти протоны пробиваются к платиновым наночастицам, которые сидят сверху диоксида титана.
Водород произведен взаимодействием протонов и электронов, поскольку они сходятся на платине.Экспертизы используя технику под названием Electron Paramagnetic Resonance (EPR) и решенная временем спектроскопия в Центре Наноразмерных Материалов проверили движения электронов в системе, в то время как электрохимические исследования подтвердили, что протоны были переданы. Тесты также показали новую причуду графенового поведения.«Большинство исследования там заявляет, что графен преимущественно проводит и принимает электроны», заявил Аргонн постдокторский исследователь Пенг Ван. «Наше исследование, используя EPR позволило нам доказывать, экспериментально, что графен также вводит электроны в другие материалы».
Водородный генератор Рожковой доказывает, что нанотехнологии, слитые с биологией, могут создать новые источники экологически чистой энергии. Открытие ее команды может предоставить будущим потребителям биологически вдохновленную альтернативу бензину.
«Это типы открытий, которые мы можем сделать в Аргонне», сказала Рожкова. «Работая в базовых энергетических науках, мы смогли продемонстрировать богатую энергией биологически вдохновленную альтернативу газу».