Kerak mineral menghasilkan listrik dari cahaya

Pernis gurun dan kerak karst terbukti aktif secara fotolistrik

Cat gurun dan kerak mineral kaya logam lainnya mengubah energi matahari menjadi energi listrik - dan dengan demikian dapat mendorong reaksi geokimia. © Anhuai Lu dan Yan Li
membacakan

Penemuan mengejutkan: Kerak gelap cat gurun dan permukaan karst menghasilkan listrik dari sinar matahari - karena itu mereka adalah generator fotolistrik. Setelah iradiasi, kerak mineral ini mengubah energi cahaya menjadi energi listrik, para peneliti menemukan. Meskipun jumlah elektron tidak cukup untuk mendapatkan kejutan listrik, itu bisa memainkan peran penting dalam reaksi biogeokimia terhadap planet kita, para ilmuwan melaporkan.

Matahari adalah sumber energi paling penting di planet kita. Cahaya mereka merangsang atom dan memicu reaksi kimia, tetapi di atas semua itu memasok bahan bakar untuk fotosintesis. Sistem biologis inilah yang memungkinkan mikroorganisme dan tanaman mengekstraksi energi dari sinar matahari dan dengan demikian membentuk biomassa organik. Transformasi dari energi matahari ke energi kimia ini membentuk dasar rantai makanan duniawi.

Cat gurun: Batu itu dilapisi lapisan gelap mengkilap © Mark Marathon / CC-by-sa 4.0

Namun, satu pertanyaan sejauh ini belum terjawab: Apakah ada mitra nonbiologis selain sistem biologis ini untuk memanen cahaya? Secara teoritis, mungkin ada mineral tertentu atau senyawa geokimia lain yang menyediakan energi untuk reaksi kimia ketika terkena sinar matahari - misalnya, dengan melepaskan elektron. "Tetapi tidak ada bukti yang ditemukan untuk sistem pemanenan geologis seperti itu, " kata Anhuai Lu dari Universitas Beijing dan rekan-rekannya.

Pernis anggur dan kerak karst di pemandangan

Sekarang para peneliti telah menemukan "transduser cahaya" geologis ini - mereka menghasilkan listrik dari sinar matahari. Hal yang menakjubkan tentang hal itu: Para aktor transformasi energi ini tidak langka atau tersembunyi, tetapi terbuka untuk semua mata. Karena ini adalah kerak mineral dan lapisan yang menjadi ciri banyak pemandangan planet kita. Kisaran memanjang dari "pernis gurun" yang gelap pada batu di lahan kering ke lapisan kemerahan dari beberapa partikel tanah ke lapisan abu-abu pada batu karst.

Kuncinya di sini: Kerak mineral ini sering sangat kaya akan zat besi dan mangan sudah banyak diketahui. "Lapisan kaya mangan gelap biasanya ditemukan di sisi batu yang diterangi matahari, bagian bawahnya terdiri dari senyawa besi, " jelas para peneliti. Kerak mineral ini sebagian besar terdiri dari logam oksihidroksida dan oksida. Namun, oksida mangan khususnya telah terbukti menjadi katalis yang efisien untuk reaksi fotokimia dalam sistem teknis. pameran

Aliran arus selama iradiasi

Haruskah ini terjadi dengan kerak mineral pernis gurun dan Karst? Untuk menguji ini, para peneliti melakukan tes sederhana: Dalam tes batuan, mereka menempatkan dua elektron pengukur emas di pernis gurun dan menyinari lapisan kaya mangan atau lapisan kaya besi dengan pulsa laser. Sebagai perbandingan, mereka melakukan pengukuran yang sama bahkan pada permukaan batu yang tergores tanpa pernis gurun.

Konstruksi sistem pengukuran in-situ (atas) dan reaksi pernis gurun yang kaya mangan pada iradiasi laser. Lu et al. / PNAS

Hasil yang menakjubkan: pernis gurun bereaksi terhadap iradiasi dengan melepaskan elektron. Setiap kali lampu menyala, elektroda mencatat peningkatan aliran arus. Ketika laser dimatikan, arus turun ke garis dasar, lapor peneliti. Mereka juga mengamati hasil yang serupa dalam pengujian dengan lapisan karst dan lapisan lokal dari jenis tanah tertentu. Batuan dasar, di sisi lain, tidak menghasilkan arus selama iradiasi.

"Arus foto menunjukkan hubungan linier dengan kekuatan laser - ini menunjukkan efisiensi konstan konversi foton-ke-elektron, " kata Lu dan timnya. Daya respons fotor untuk kerak yang kaya akan besi adalah dua juta ampere per watt, dan 1, 7 kali lebih besar untuk kerak yang kaya mangan.

Generator fotolistrik alami

"Ini adalah bagaimana lapisan mineral ini berperilaku seperti generator fotolistrik alami, " kata Lu dan timnya. Pernis resin dan Co karenanya dapat mengubah sinar matahari menjadi energi listrik. Menurut pengukuran, satu meter persegi pernis gurun di bawah sinar matahari intensif dapat melepaskan rata-rata 22, 3 kuadriliun elektron yang diinduksi cahaya per detik. "Fotoelektron ini dapat menjadi sumber penting energi ekstraseluler untuk bakteri tertentu, " kata para peneliti.

"Mengingat luasnya wilayah yang dicakup oleh lapisan mineral ini, produksi fotoelektron mereka sama sekali tidak dapat diabaikan, " Lu dan timnya menekankan. "Reaksi kerak mineral ini terhadap sinar matahari karena itu dapat memainkan peran penting dalam proses biogeokimia permukaan bumi." (Prosiding National Academy of Sciences, 2019: doi: 10.1073 / pnas.1902473116)

Sumber: Prosiding National Academy of Sciences

- Nadja Podbregar