Hierarchical Metal-organic Framework Assemblies for Solar Energy Harvesting and Storage

用于太阳能收集和存储的分层金属有机框架组件

基本信息

  • 批准号:
    1308229
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 47.1万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2014
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2014-05-15 至 2017-04-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

TECHNICAL SUMMARYWith support from the Solid State and Materials Chemistry program in the Division of Materials research, this project will study metal-organic frameworks (MOFs) as a model material system to hierarchically integrate functional molecular and nanoparticle components for solar energy harvesting and storage. Solar energy harvesting provides a long-term solution to meet our future energy needs. Converting solar energy to chemical energy requires a material system to simultaneously perform three fundamental steps: sunlight absorption by antennae to create charge-separated excited states, creation of redox equivalents and their vectorial migration to reactive centers, and catalytic reactions to store chemical energy in the products using vectorially delivered electrons and holes. The research team will develop synthetic methods to hierarchically integrate all of the key functional components into the same system in order to uncover new strategies for solar energy harvesting and storage. They will accomplish these objectives by synthesizing stable and porous photosensitizing MOFs using phosphorescent bridging ligands, incorporating water oxidation catalysts (WOCs) into MOFs to drive photocatalytic water oxidation to generate dioxygen; incorporating proton reduction catalysts (PRCs) into MOFs to drive photocatalytic water reduction to produce H2, and integrating the photosensitizer (PS), WOC, and PRC into the same MOF system to achieve total water splitting with sunlight. Their research efforts have the potential to provide fundamental understanding of photosensitization, charge injection, and water oxidation/proton reduction reactions. The proposed research activities will also be integrated into the training of postdoctoral, graduate, undergraduates, and high school students. NON-TECHNICAL SUMMARYThe sustainable production of energy is one of humanity's greatest scientific challenges. As the fossil fuel supply dwindles, new energy technologies must be developed to meet the increasing global energy needs and to sustain the global society. Solar energy is one of the few alternative energy sources that could be scaled up to meet our future needs. Solar energy can be converted into heat, electricity, or fuels. Among them, solar fuels are the most desirable because of the ease of their storage and transportation. However, practical and cost-effective technologies for ultralarge-scale solar fuel production do not currently exist and require breakthroughs in basic sciences. The research team will use metal-organic frameworks (MOFs) as a model material system to hierarchically integrate functional molecular and nanoparticle components for solar energy harvesting and storage. The proposed research activities will not only provide better understanding of the three fundamental processes involved in solar energy conversion, including photosensitization, charge injection, and water oxidation/proton reduction reactions, but also promise to lead to new and better material systems for solar energy harvesting and storage. The project will involve students from all demographics and will teach skills and techniques that are relevant to real-world needs, thus helping prepare a highly skilled workforce for future clean technology.
在材料研究部门固态和材料化学计划的支持下,该项目将研究金属有机框架(MOFs)作为模型材料系统,以分层整合功能分子和纳米颗粒组件,用于太阳能收集和储存。 太阳能收集为满足我们未来的能源需求提供了一个长期的解决方案。 将太阳能转化为化学能需要材料系统同时执行三个基本步骤:天线吸收阳光以产生电荷分离的激发态,产生氧化还原等价物及其向反应中心的矢量迁移,以及催化反应以使用矢量传递的电子和空穴将化学能存储在产品中。 研究团队将开发合成方法,将所有关键功能组件分层整合到同一系统中,以揭示太阳能收集和存储的新策略。 他们将通过使用磷光桥接配体合成稳定且多孔的光敏MOFs来实现这些目标,将水氧化催化剂(WOC)并入MOFs中以驱动光催化水氧化以产生分子氧;将质子还原催化剂(PRCs)引入到MOF中以驱动光催化水还原产生H2,并将光敏剂(PS)、WOC和PRC进入相同的MOF系统以实现利用阳光的总水分解。他们的研究工作有可能提供光敏化,电荷注入和水氧化/质子还原反应的基本理解。 拟议的研究活动也将纳入博士后,研究生,本科生和高中生的培训。能源的可持续生产是人类面临的最大科学挑战之一。随着化石燃料供应的减少,必须开发新的能源技术,以满足日益增长的全球能源需求,并维持全球社会。太阳能是为数不多的可以扩大规模以满足我们未来需求的替代能源之一。太阳能可以转化为热能、电能或燃料。其中,太阳能燃料是最理想的,因为它们易于储存和运输。然而,目前还不存在用于超大规模太阳能燃料生产的实用和具有成本效益的技术,需要在基础科学方面取得突破。 该研究小组将使用金属有机框架(MOFs)作为模型材料系统,分层整合功能分子和纳米颗粒组件,用于太阳能收集和储存。 拟议的研究活动不仅将使人们更好地了解太阳能转换所涉及的三个基本过程,包括光敏化、电荷注入和水氧化/质子还原反应,而且还有望产生新的和更好的太阳能收集和储存材料系统。 该项目将涉及来自所有人口统计数据的学生,并将教授与现实世界需求相关的技能和技术,从而帮助培养未来清洁技术的高技能劳动力。

项目成果

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