Исследование также раскрыло ранее неизвестное свойство графена. Двумерная цепочка атомов углерода не только дает и принимает электроны, но также может переносить их в другое вещество.Водород есть практически повсюду на планете, но этот элемент обычно связан с другими элементами и должен быть отделен от кислорода в H2O, чтобы получить свободный водород. В промышленном процессе разделения природный газ используется для реакции с перегретым паром, чтобы удалить атомы водорода, производя водородное топливо, а также двуокись углерода — побочный продукт парникового газа, который улетучивается в атмосферу.
Генератор на ранней стадии Argonne, состоящий из множества крошечных сборок, является доказательством того, что водород можно производить без сжигания ископаемого топлива. Чешуя небольшая, чуть меньше диаметра паучьего шелка. Расширение масштабов этого исследования в будущем может означать, что вы могли бы заменить газ в своих автомобилях и генераторах водородом — более экологичный вариант, поскольку при сжигании водородного топлива выделяется только водяной пар.«Многие исследователи ищут неорганические материалы в качестве новых источников энергии», — сказала Елена Рожкова, химик из Аргоннского центра наноразмерных материалов, пользовательского центра Министерства энергетики США. «Наша цель — извлекать уроки из мира природы и использовать его материалы в качестве строительных блоков для инноваций».
По мнению Рожковой, этот конкретный строительный блок основан на функции древнего белка, который, как известно, превращает свет в энергию. Исследователям давно известно, что некоторые одноклеточные организмы используют белок под названием бактериородопсин (bR) для поглощения солнечного света и прокачки протонов через мембрану, создавая форму химической энергии. Они также знают, что воду можно разделить на кислород и водород, объединив эти белки с диоксидом титана и платины, а затем подвергнув их воздействию ультрафиолета.
Есть только один недостаток: диоксид титана реагирует только в присутствии ультрафиолета, который составляет всего четыре процента всего солнечного спектра. Если бы исследователи захотели питать свои генераторы солнечным светом, им нужно было бы это улучшить.Чтобы производить большее количество водорода с помощью видимого света, исследователи искали новый материал. Новому материалу потребуется достаточная площадь поверхности для быстрого и равномерного перемещения электронов и повышения общей эффективности переноса электронов.
Исследователям также нужна была платформа, на которой биологические компоненты, такие как bR, могли выжить и соединиться с катализатором из диоксида титана: короче говоря, такой материал, как графен.Графен — это сверхсильный, сверхлегкий, почти полностью прозрачный слой атомов углерода и один из лучших проводников электричества, когда-либо обнаруженных. Своими удивительными свойствами графен обязан своей двумерности.
«Графен не только обладает всеми этими удивительными свойствами, но также является ультратонким и биологически инертным», — сказала Рожкова. «Само его присутствие позволило другим компонентам самостоятельно собраться вокруг него, что полностью меняет способ движения электронов в нашей системе».Мини-генератор водорода Рожковой работает следующим образом: и белок bR, и графеновая платформа поглощают видимый свет. Электроны в результате этой реакции передаются диоксиду титана, на котором закреплены эти два материала, что делает диоксид титана чувствительным к видимому свету.
Одновременно свет из зеленого конца солнечного спектра запускает белок bR, чтобы начать перекачивать протоны вдоль своей мембраны.
Эти протоны попадают в наночастицы платины, которые находятся на поверхности диоксида титана. Водород образуется в результате взаимодействия протонов и электронов, когда они сходятся на платине.
Исследования с использованием метода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и спектроскопии с временным разрешением в Центре наноразмерных материалов подтвердили движения электронов внутри системы, а электрохимические исследования подтвердили, что протоны переносятся. Тесты также выявили новую причуду поведения графена.«Большинство исследований утверждают, что графен в основном проводит и принимает электроны», — сказал Аргоннский исследователь, доктор наук Пэн Ван. «Наши исследования с использованием ЭПР позволили нам экспериментально доказать, что графен также вводит электроны в другие материалы».
Генератор водорода Рожковой доказывает, что нанотехнологии в сочетании с биологией могут создавать новые источники чистой энергии. Открытие ее команды может предоставить будущим потребителям биологически вдохновленную альтернативу бензину.
«Это те открытия, которые мы можем сделать в Аргонне», — сказала Рожкова. «Работая в области фундаментальных наук об энергии, мы смогли продемонстрировать богатую энергией биологически вдохновленную альтернативу газу».