طراحی و ساخت برگ مصنوعی

فتوسنتز مصنوعي يک زمينه تحقيقاتي است که هدف آن تقليد هوشمندانه از فرايند طبيعي فتوسنتز و توليد مواد و انرژي با استفاده از نور خورشيد مي¬باشد. اين اصطلاح معمولا به هر طرح که شامل گرفتن انرژي از نور خورشيد و ذخيره آن در پيوندهاي شيميايي باشد اشاره مي¬کند. تجزيه آب و يا الکتروليز نوري، شکل¬هاي از فتوسنتز مصنوعي مي¬باشد که با استفاده از نور خورشيد آب را به هيدروژن و اکسيژن تبديل مي¬کند. برگ مصنوعي شامل اکسايش آب با کاتاليزورهاي اکسنده و کاهنده در شرايط خنثي ميي¬باشد ب امکان توليد همزمان اکسيژن و هيدروژن و ييا کاهش ديي¬اکسييد کربن را در يک سيستم فراهم مي¬سازد. کاتاليزگرها به ويژه نيمه رساناها با قابليت توليد الکترون و حفره در اثر جذب نور نقش مهمي در تبديل انرژي نوراني به شيميايي ايفا مي¬کنند. نيمه رساناهاي با گاف انرژي کوچک بخوبي در نور مرئي فعال مي¬شوند. اما مشکل اصلي در اين مورد باز ترکيب الکترون - حفره و در نتيجه کاهش فعاليت نور کاتاليزگري مي¬باشد. قرارگيري نيمه رساناهاي با سطوح متفاوت باند هدايت و ظرفيت در کنار هم و يا قرارگيري فلزات بر روي سطح مي¬تواند باعث کاهش باز ترکيب حاملين بار و در نتيجه افزايش فعاليت نور کاتاليزگري شود. نيمه رسانا به دو دسته نوع n و نوع p تقسيم مي¬شوند. در نوع n اکثريت ناقلين بار الکترونها و در نوع p رسانش در اثر حرکت حفره در لايه ظرفيت ايجاد مي¬شود. از نيمه رساناهاي نوع n مي¬توان به ZnO و TiO2, WO3, Fe2O3, BiVO4 و نوع p به CuFeO2, CuFeS2, CuO2 و g-C3N4 اشاره کرد. از اهداف اين طرح استفاده از نيمه رساناي فعال در نور مرئي براي اکسايش آب مي-باشد. بنابراين براي افزايش فعاليت نور کاتاليزگرها طراحي ساختارهايي شامل اتصال دو نيمه رسانا بطور مستقيم و يا برروي الکترودهاي آند و کاتد سلهاي فوتو الکترو به منظور افزايش جدايي بار پيشنهاد مي¬شود. سيستم طرح Z بعنوان الگويي از فتوسنتز طبيعي ، شامل دو کروموفور جداگانه از ترکيبات فعال نوري مي¬باشد. طراحي اين سيستم امکان توليد اکسيژن و هيدروژن در نيمه پيلهاي جداگانه، امکان جدايي ناقلين بار و در نتيجه افزايش فعاليت نور کاتاليزوري را به همراه خواهد داشت.