EPFL的化學工程師已經開發出一種新的人工光合作用的方法，一種從水中收集太陽能以產生清潔燃料氫的方法。
“人工光合作用是所有化學家的聖盃，”EPFL化學科學與工程研究所(ISIC)的化學工程師阿斯特麗德·奧拉亞(Astrid Olaya)說。“我們的目標是捕捉陽光，一方面氧化水生成氧氣和質子，另一方面將質子轉化為氫，或將二氧化碳轉化為化學物質和燃料。這就是迴圈化工的本質。”
隨著全球能源需求的增加，我們需要化石燃料的可行替代品，而化石燃料對環境的負面影響也變得非常明顯。其中一種替代品是氫，它可以在簡單的燃料電池中作為能源，只留下水。
製造氫的一種方法是“水分裂”，水分子被分解成氫分子和氧分子。在人工光合作用中，光被吸收來產生分解水分子所需的能量。
人工光合作用裝置的經典設計相對簡單:一種叫做天線的吸光染料，加上分離電荷(陽極和陰極)的半導體，以及驅動水還原-氧化反應的電催化劑。
然而，這個過程仍然太慢。利用可見光(如太陽光)進行水氧化仍是人工光合作用的瓶頸，儘管已經研究了半個多世紀，但仍阻礙了大規模的開發。Olaya說:“問題是，很難找到具有高化學穩定性、合適的光電效能和高催化效率的電極材料。”
天線提高效率
在EPFL的休伯特·吉羅特(Hubert Girault)實驗室工作的奧拉亞領導了一項研究，為人工光合作用提供了一種新方法。這項研究已經發表在《美國化學學會金雜誌》上。
“在這項研究中，我們用一種簡單的有機分子，即四硫富瓦烯(TTF)光氧化水，”Olaya說。“已經證明，鹽型TTF可以自組裝成微棒，作為天線捕捉可見光，並作為電子泵將水氧化為氧氣。”通常，這是一個緩慢的、多步驟的反應，但TTF鹽分子的堆疊可以捕獲氧化一個水分子所需的四個電子。
一種油性觸控
研究人員還在油乳劑中使用了水。“TTF天線可以駐留在靠近水相的油相中，水氧化產生的質子在這裡被提取，”Olaya說。“就像在自然光合作用中一樣，雙相系統可以有效地分離反應物和產物。”
TTF僅由碳原子、硫原子和氫原子組成，這些都是廣泛存在的。這意味著這種新方法也具有成本效益和可持續性，因為它不需要任何貴重金屬離子，如鉑或銥。“這項工作是用幾個簡單的有機分子來實現人工光合作用的一種新方法，”Olaya說。
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Increasing efficiency in artificial photosynthesis - EPFL
References
Astrid J. Olaya, Julieta S. Riva, Dominika Baster, Wanderson O. Silva, François Pichard, Hubert H. Girault. Visible-Light-Driven Water Oxidation on Self-Assembled Metal-Free Organic@Carbon Junctions at Neutral pH. JACS Au 11 November 2021. DOI: 10.1021/jacsau.1c00408
