纳米氢发生器使用光和二维石墨烯

能源部(DOE)阿贡实验室的研究人员创造了一种小型“氢气发生器”，它使用光和二维石墨烯平台来促进难以制造的元素的生产。

该研究还揭示了以前未知的石墨烯特性。二维碳原子链不仅可以给予和接收电子，还可以将它们转移到另一种物质中。

氢气实际上是地球上的任何地方，但该元素通常与其他元素结合，必须与H2O中的氧气分离，以产生游离氢气。商业分离过程使用天然气与过热蒸汽反应，去除产生氢燃料的氢原子，以及二氧化碳 - 一种逃逸到大气中的温室气体副产品。

Argonne的早期发电机由许多微型组件组成，证明氢气可以在不燃烧化石燃料的情况下生产。比例小，略小于蜘蛛丝的直径。未来扩大这项研究可能意味着您可以用氢气替换汽车和发电机中的气体 - 这是一个更环保的选择，因为燃烧的氢燃料只能排放水蒸气。

能源部科学办公室(基础能源科学办公室)用户设施的Argonne纳米材料中心的化学家Elena Rozhkova说：“许多研究人员正在研究无机材料的新能源。” “我们的目标是向自然界学习，并将其材料用作创新的基石。”

对于Rozhkova来说，这个特殊的构建块的灵感来自于一种古老的蛋白质的功能，这种蛋白质可以将光转化为能量。研究人员早就知道，一些单细胞生物使用一种名为细菌视紫红质(bR)的蛋白质来吸收阳光并通过膜泵送质子，形成一种化学能。他们还知道，通过将这些蛋白质与二氧化钛和铂混合，然后将它们暴露在紫外线下，水可以分解成氧气和氢气。

只有一个缺点：二氧化钛仅在紫外线存在下发生反应，紫外线仅占太阳光谱总量的4%。如果研究人员想用阳光为发电机供电，他们需要改进。

为了利用可见光产生更多的氢，研究人员寻找了一种新材料。新材料需要足够的表面积来快速均匀地移动电子并提高整体电子转移效率。研究人员还需要一个平台，在这个平台上生物成分(如bR)可以存活并与二氧化钛催化剂连接：简而言之，就像石墨烯这样的材料。

石墨烯是一种超强，超轻，接近完全透明的碳原子片，是迄今为止发现的最好的电导体之一。石墨烯因其二维而具有惊人的特性。

“石墨烯不仅具有所有这些惊人的特性，而且还具有超薄和生物惰性，”Rozhkova说。“它的存在允许其他组件在其周围自组装，这完全改变了电子在整个系统中的移动方式。”

Rozhkova的微型氢气发生器的工作方式如下：bR蛋白质和石墨烯平台都吸收可见光。来自该反应的电子被传递到二氧化钛上，在这些二氧化钛上锚定这两种材料，使得二氧化钛对可见光敏感。

同时，来自太阳光谱绿端的光触发bR蛋白开始沿其膜泵送质子。这些质子进入位于二氧化钛顶部的铂纳米颗粒。当质子和电子会聚在铂上时，氢由质子和电子的相互作用产生。

在纳米材料中心使用称为电子顺磁共振(EPR)和时间分辨光谱的技术进行的检查验证了系统内电子的运动，而电化学研究证实了质子被转移。测试还揭示了石墨烯行为的新奇怪。

“大部分研究表明，石墨烯主要传导和接受电子，”阿贡博士后研究员王鹏表示。“我们使用EPR进行的勘探使我们能够通过实验证明石墨烯还可以将电子注入其他材料中。”

Rozhkova的氢气发生器证明纳米技术与生物学相结合，可以创造新的清洁能源。她的团队的发现可能为未来的消费者提供一种生物启发的汽油替代品。

“这些是我们在阿贡的发现类型，”Rozhkova说。“在基础能源科学领域工作，我们能够展示出一种富含能量的生物学替代气体。”

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