Sztuczna fotosynteza

Sztuczna fotosynteza to proces chemiczny , który naśladuje naturalny proces fotosyntezy w celu przekształcenia światła słonecznego , wody i dwutlenku węgla w węglowodany i tlen . Termin sztuczna fotosynteza jest powszechnie używany w odniesieniu do dowolnego schematu wychwytywania i magazynowania energii słonecznej w wiązaniach chemicznych paliwa (paliwa słonecznego ). Fotokatalityczne rozszczepianie wody przekształca wodę w wodór i tlen i jest głównym tematem badawczym sztucznej fotosyntezy. Redukcja dwutlenku węgla napędzana światłem to kolejny badany proces, który odtwarza naturalne wiązanie węgla .

Badania w tym zakresie obejmują projektowanie i montaż urządzeń do bezpośredniej produkcji paliw słonecznych, fotoelektrochemię i jej zastosowanie w ogniwach paliwowych oraz inżynierię enzymów i mikroorganizmów fotoautotroficznych do mikrobiologicznej produkcji biopaliw i biowodoru ze światła słonecznego.

Przegląd

Reakcję fotosyntezy można podzielić na dwie połówki reakcji utleniania i redukcji , z których obie są niezbędne do produkcji paliwa . Podczas fotosyntezy roślin cząsteczki wody ulegają fotoutlenianiu, uwalniając tlen i protony. Druga faza fotosyntezy roślin (znana również jako cykl Calvina-Bensona ) to niezależna od światła reakcja , która przekształca dwutlenek węgla w glukozę (paliwo). Badacze sztucznej fotosyntezy opracowują fotokatalizatory zdolne do przeprowadzania obu tych reakcji. Ponadto protony powstałe w wyniku rozszczepienia wody można wykorzystać do produkcji wodoru. Katalizatory te muszą być w stanie szybko reagować i pochłaniać duży procent padających fotonów słonecznych .

Naturalna (po lewej) a sztuczna fotosynteza (po prawej)

Podczas gdy fotowoltaika może dostarczać energię bezpośrednio ze światła słonecznego, nieefektywność produkcji paliwa z energii elektrycznej z fotowoltaiki (proces pośredni) oraz fakt, że nasłonecznienie nie jest stałe przez cały dzień, ograniczają jej wykorzystanie. Jednym ze sposobów wykorzystania naturalnej fotosyntezy jest produkcja biopaliwa , która jest procesem pośrednim, charakteryzującym się niską wydajnością konwersji energii (ze względu na niską wydajność samej fotosyntezy w przekształcaniu światła słonecznego w biomasę), kosztem zbioru i transportu paliwa, i konflikty wynikające z rosnącego zapotrzebowania na ziemię do produkcji żywności. Celem sztucznej fotosyntezy jest wytworzenie paliwa ze światła słonecznego, które można wygodnie przechowywać i wykorzystać, gdy światło słoneczne nie jest dostępne, poprzez zastosowanie procesów bezpośrednich, czyli do wytworzenia paliwa słonecznego . Wraz z rozwojem katalizatorów zdolnych do odtworzenia głównych etapów fotosyntezy, woda i światło słoneczne stałyby się ostatecznie jedynymi źródłami potrzebnymi do produkcji czystej energii. Jedynym produktem ubocznym byłby tlen, a produkcja paliwa słonecznego może być tańsza niż benzyna.

Jednym z procesów tworzenia czystych i przystępnych cenowo źródeł energii jest rozwój fotokatalitycznego rozkładu wody pod wpływem światła słonecznego. Ta metoda zrównoważonej produkcji wodoru jest głównym celem rozwoju alternatywnych systemów energetycznych . Przewiduje się również, że będzie to jeden z bardziej, jeśli nie najbardziej wydajny sposób pozyskiwania wodoru z wody. Konwersja energii słonecznej na wodór w procesie rozszczepiania wody wspomaganym przez katalizatory fotopółprzewodnikowe jest jedną z najbardziej obiecujących rozwijanych technologii. Proces ten może potencjalnie generować duże ilości wodoru w sposób przyjazny dla środowiska. [ potrzebne źródło ] Przekształcenie energii słonecznej w czyste paliwo (H 2 ) w warunkach otoczenia jest jednym z największych wyzwań stojących przed naukowcami w XXI wieku.

Ogólnie znane są dwie metody budowy słonecznych ogniw paliwowych do produkcji wodoru:

  • System jednorodny to taki, w którym katalizatory nie są podzielone na przedziały , to znaczy składniki są obecne w tym samym przedziale. Oznacza to, że wodór i tlen są wytwarzane w tym samym miejscu. Może to być wadą, ponieważ tworzą mieszaninę wybuchową, wymagającą oddzielenia produktów gazowych. Ponadto, wszystkie składniki muszą być aktywne w przybliżeniu w tych samych warunkach (np. pH ).
  • System heterogeniczny ma dwie oddzielne elektrody , anodę i katodę, co umożliwia oddzielenie produkcji tlenu i wodoru. Co więcej, różne komponenty niekoniecznie muszą pracować w tych samych warunkach. Jednak zwiększona złożoność tych systemów sprawia, że ​​są one trudniejsze do opracowania i droższe.

Innym obszarem badań w ramach sztucznej fotosyntezy jest selekcja i manipulacja mikroorganizmami fotosyntetycznymi, a mianowicie zielonymi mikroalgami i sinicami , do produkcji paliw słonecznych. Wiele szczepów jest w stanie naturalnie wytwarzać wodór, a naukowcy pracują nad ich ulepszeniem. Biopaliwa z alg , takie jak butanol i metanol , są produkowane zarówno w skali laboratoryjnej, jak i komercyjnej. Ta metoda skorzystała z rozwoju biologii syntetycznej , która jest również badana przez Instytut J. Craiga Ventera w celu wytworzenia syntetycznego organizmu zdolnego do produkcji biopaliw. W 2017 roku opracowano wydajny proces produkcji kwasu octowego z dwutlenku węgla przy użyciu „bakterii cyborg”.

Historia

Sztuczną fotosyntezę po raz pierwszy przewidział włoski chemik Giacomo Ciamician w 1912 r. W wykładzie, który został później opublikowany w Science , zaproponował przejście z paliw kopalnych na energię promieniowania dostarczaną przez słońce i przechwytywaną przez techniczne urządzenia fotochemiczne. Widział w tej zmianie możliwość zmniejszenia różnic między bogatą północą Europy a biednym południem i zaryzykował przypuszczenie, że przejście z węgla na energię słoneczną „nie zaszkodzi postępowi i ludzkiemu szczęściu”.

Pod koniec lat 60. Akira Fujishima odkrył fotokatalityczne właściwości dwutlenku tytanu , tzw. efekt Hondy-Fujishimy, który można wykorzystać do hydrolizy .

Widoczne rozszczepienie lekkiej wody za pomocą jednoczęściowego wielozłączowego urządzenia półprzewodnikowego (w porównaniu do światła UV z półprzewodnikami z dwutlenku tytanu) zostało po raz pierwszy zademonstrowane i opatentowane przez Williama Ayersa z Energy Conversion Devices w 1983 r. Grupa ta zademonstrowała fotolizę wody na wodór i tlen, obecnie określaną jako „sztuczny liść” z niedrogim, cienkowarstwowym wielozłączowym arkuszem z amorficznego krzemu zanurzonym bezpośrednio w wodzie. Wodór wydzielał się na przedniej amorficznej powierzchni krzemowej ozdobionej różnymi katalizatorami, podczas gdy tlen wydzielał się z tylnego metalowego podłoża, co również eliminowało niebezpieczeństwo wydzielania się mieszaniny gazowej wodoru i tlenu. Membrana polimerowa nad zanurzonym urządzeniem zapewniała ścieżkę transportu protonów. Wyższe fotowoltaiczne dostępne z wielozłączowego urządzenia cienkowarstwowego ze światłem widzialnym było dużym postępem w porównaniu z poprzednimi próbami fotolizy z UV lub innymi fotoelektrodami półprzewodnikowymi z pojedynczym złączem. Patent grupy wymienia również kilka innych wielozłączowych kompozycji półprzewodnikowych oprócz krzemu amorficznego.

Szwedzkie Konsorcjum Sztucznej Fotosyntezy, pierwsze tego rodzaju, powstało w 1994 roku jako współpraca między grupami trzech różnych uniwersytetów: Lund , Uppsali i Sztokholmu , które obecnie działają w okolicach Lund i laboratoriów Ångström w Uppsali. Konsorcjum zostało zbudowane z multidyscyplinarnym podejściem, aby skupić się na uczeniu się na podstawie naturalnej fotosyntezy i stosowaniu tej wiedzy w systemach biomimetycznych.

Badania nad sztuczną fotosyntezą przeżywają rozkwit na początku XXI wieku. W 2000 roku z Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) ogłosili, że zamierzają położyć nacisk na wychwytywanie dwutlenku węgla i jego przekształcanie w węglowodory. W 2003 r. Brookhaven National Laboratory ogłosiło odkrycie ważnej części pośredniej redukcji CO 2 do CO (najprostszej możliwej reakcji redukcji dwutlenku węgla), która może skutkować lepszymi katalizatorami.

Jedną z wad sztucznych układów katalizatorów rozszczepiających wodę jest ich ogólna zależność od rzadkich, drogich pierwiastków, takich jak ruten czy ren. W 2008 roku, dzięki finansowaniu Biura Badań Naukowych Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych , chemik z MIT i dyrektor Projektu Rewolucji Słonecznej Daniel G. Nocera i doktor habilitowany Matthew Kanan próbowali obejść ten problem, stosując katalizator zawierający tańszy i występujący w większej ilości pierwiastki kobalt i fosforan. Katalizator był w stanie rozszczepić wodę na tlen i protony za pomocą światła słonecznego i potencjalnie mógł zostać sprzęgnięty z katalizatorem wytwarzającym gazowy wodór, takim jak platyna. Co więcej, chociaż katalizator zepsuł się podczas katalizy, mógł się sam naprawić. Ten eksperymentalny projekt katalizatora został uznany przez wielu badaczy za główne ulepszenie.

Podczas gdy CO jest głównym produktem redukcji CO2 , zwykle pożądane są bardziej złożone związki węgla. W 2008 roku Andrew B. Bocarsly zgłosił bezpośrednią konwersję dwutlenku węgla i wody do metanolu przy użyciu energii słonecznej w bardzo wydajnym ogniwie fotochemicznym.

Podczas gdy Nocera i współpracownicy dokonali rozszczepienia wody na tlen i protony, pożądany jest napędzany światłem proces produkcji wodoru. W 2009 roku Leibniz Institute for Catalysis poinformował o niedrogich kompleksach karbonylu żelaza, które są w stanie to zrobić. W tym samym roku naukowcy z University of East Anglia wykorzystali również związki karbonylu żelaza, aby uzyskać fotoelektrochemiczną produkcję wodoru z 60% wydajnością, tym razem przy użyciu złotej elektrody pokrytej warstwami fosforku indu , z którymi związane były kompleksy żelaza. W obu tych procesach wykorzystano podejście molekularne, w którym za katalizę odpowiedzialne są oddzielne nanocząsteczki.

W 2009 roku F. del Valle i K. Domen wykazali efekt obróbki termicznej w zamkniętej atmosferze przy użyciu fotokatalizatorów Cd
1- x Zn
x S. Stały roztwór Cd
1- x Zn
x S wykazuje wysoką aktywność w produkcji wodoru z rozszczepiania wody pod wpływem promieniowania słonecznego. Mieszane podejście heterogeniczne / molekularne przeprowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz w 2010 r., przy użyciu zarówno domieszkowanych azotem , jak i selenku kadmu , uczulonych kropkami kwantowymi dwutlenku tytanu i nanoprzewodów , również dało fotoprodukowany wodór.

Sztuczna fotosynteza przez wiele lat pozostawała dziedziną naukową. Jednak na początku 2009 roku Mitsubishi Chemical Holdings opracowuje własne badania nad sztuczną fotosyntezą, wykorzystując światło słoneczne, wodę i dwutlenek węgla do „tworzenia węglowych bloków budulcowych, z których można syntetyzować żywice, tworzywa sztuczne i włókna”. Zostało to potwierdzone utworzeniem w tym samym roku Instytutu KAITEKI, którego jednym z głównych celów była redukcja dwutlenku węgla poprzez sztuczną fotosyntezę.

W 2010 roku Departament Energii Stanów Zjednoczonych ustanowił, jako jedno ze swoich centrów innowacji energetycznych , Wspólne Centrum Sztucznej Fotosyntezy . Misją JCAP jest znalezienie opłacalnej metody produkcji paliw przy użyciu jedynie światła słonecznego, wody i dwutlenku węgla jako wkładów. JCAP jest zarządzany przez zespół z California Institute of Technology (Caltech), kierowany przez profesora Nathana Lewisa i skupiający ponad 120 naukowców i inżynierów z Caltech oraz jego głównego partnera, Lawrence Berkeley National Laboratory . JCAP korzysta również z wiedzy i możliwości kluczowych partnerów z Uniwersytetu Stanforda , Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley , UCSB , Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine i Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego oraz Stanford Linear Accelerator . Ponadto JCAP służy jako centralne centrum dla innych zespołów badawczych paliw słonecznych w całych Stanach Zjednoczonych, w tym 20 DOE Energy Frontier Research Center. Program ma budżet w wysokości 122 milionów dolarów w ciągu pięciu lat, z zastrzeżeniem środków Kongresu

Również w 2010 roku zespół kierowany przez profesora Davida Wendella z University of Cincinnati z powodzeniem zademonstrował fotosyntezę w sztucznym konstrukcie składającym się z enzymów zawieszonych w piankowej obudowie.

W 2011 roku Daniel Nocera i jego zespół badawczy ogłosili stworzenie pierwszego praktycznego sztucznego liścia. W przemówieniu wygłoszonym na 241. Krajowym Zgromadzeniu Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego Nocera opisał zaawansowane ogniwo słoneczne wielkości karty do pokera, zdolne do rozszczepiania wody na tlen i wodór, około dziesięć razy wydajniej niż naturalna fotosynteza. Ogniwo jest w większości wykonane z niedrogich, powszechnie dostępnych materiałów, działa w prostych warunkach i wykazuje zwiększoną stabilność w porównaniu z poprzednimi katalizatorami: w badaniach laboratoryjnych autorzy wykazali, że prototyp sztucznego liścia może działać nieprzerwanie przez co najmniej czterdzieści pięć godzin bez spadek aktywności. W maju 2012 r. Sun Catalytix, startup oparty na badaniach Nocera, stwierdził, że nie będzie powiększał prototypu, ponieważ urządzenie oferuje niewiele oszczędności w porównaniu z innymi sposobami wytwarzania wodoru ze światła słonecznego. Wiodący eksperci w tej dziedzinie poparli propozycję globalnego projektu dotyczącego sztucznej fotosyntezy jako połączonego rozwiązania w zakresie bezpieczeństwa energetycznego i zmiany klimatu. Konferencje na ten temat odbyły się na wyspie Lord Howe w 2011 r., w Chicheley Hall w Wielkiej Brytanii w 2014 r. oraz na wyspach Canberra i Lord Howe w 2016 r.

Obecne badania

Pod względem energetycznym naturalną fotosyntezę można podzielić na trzy etapy:

Zespół triady z fotosensybilizatorem (P) połączonym tandemowo z katalizatorem utleniania wody (D) i katalizatorem wydzielania wodoru (A). Elektrony przepływają z D do A, gdy zachodzi kataliza.

Wykorzystując podejścia biomimetyczne , sztuczna fotosynteza próbuje konstruować systemy wykonujące ten sam typ procesów. Idealnie, triady mógłby utleniać wodę za pomocą jednego katalizatora, redukować protony za pomocą innego i mieć cząsteczkę fotosensybilizatora do zasilania całego systemu. Jeden z najprostszych projektów polega na tym, że fotosensybilizator jest połączony tandemowo między katalizatorem utleniania wody a katalizatorem wydzielania wodoru:

  • Fotosensybilizator przenosi elektrony na katalizator wodorowy pod wpływem światła, utleniając się w tym procesie.
  • Powoduje to, że katalizator rozszczepiający wodę przekazuje elektrony fotosensybilizatorowi. W zespole triady taki katalizator jest często określany jako donor. Utleniony donor jest w stanie przeprowadzić utlenianie wody.

Stan triady, w którym jeden katalizator jest utleniony na jednym końcu, a drugi zredukowany na drugim końcu triady, nazywany jest rozdziałem ładunku i jest siłą napędową dalszego przenoszenia elektronów, aw konsekwencji katalizy. Różne składniki mogą być łączone na różne sposoby, takie jak kompleksy supramolekularne , komórki podzielone na przedziały lub liniowo, kowalencyjnie połączone cząsteczki.

Badania nad znalezieniem katalizatorów, które mogą przekształcać wodę, dwutlenek węgla i światło słoneczne w węglowodany lub wodór, to aktualne, aktywne pole. Badając naturalny kompleks wydzielający tlen (OEC), naukowcy opracowali katalizatory, takie jak „niebieski dimer”, aby naśladować jego funkcję. Jednak katalizatory te są nadal nieefektywne.

Trwają prace nad ogniwami fotoelektrochemicznymi , które redukują dwutlenek węgla do tlenku węgla (CO), kwasu mrówkowego (HCOOH) i metanolu (CH 3 OH). Podobnie jak w przypadku naturalnej fotosyntezy, takie sztuczne liście mogą wykorzystywać tandem absorberów światła do ogólnego rozszczepiania wody lub redukcji CO 2 . Te zintegrowane systemy można montować na lekkich, elastycznych podłożach, w wyniku czego powstają pływające urządzenia przypominające liście lotosu.

Phycobilitproteiny z alg są opracowywane pod kątem produkcji energii odnawialnej.

Katalizatory wodorowe

Wodór jest najprostszym do syntezy paliwem słonecznym, ponieważ wymaga jedynie przeniesienia dwóch elektronów na dwa protony. Należy to jednak zrobić etapami, z utworzeniem pośredniego wodorkowego :

2 mi - + 2 H. + ⇌ H. + + H. - ⇌ H. 2

Występujące w przyrodzie katalizatory przekształcające proton w wodór to hydrogenazy . Są to enzymy , które mogą albo redukować protony do wodoru cząsteczkowego, albo utleniać wodór do protonów i elektronów. Badania spektroskopowe i krystalograficzne trwające kilka dziesięcioleci zaowocowały dobrym zrozumieniem zarówno struktury, jak i mechanizmu katalizy hydrogenazy. Korzystając z tych informacji, zsyntetyzowano kilka cząsteczek naśladujących strukturę miejsca aktywnego zarówno hydrogenazy niklowo-żelazowej , jak i żelazowo-żelazowej. Inne katalizatory nie są strukturalnymi naśladowcami hydrogenazy, ale raczej funkcjonalnymi. Zsyntetyzowane katalizatory obejmują strukturalne modele klastrów H, fotokatalizator dirodowy i katalizatory kobaltowe .

Katalizatory utleniające wodę

Utlenianie wody jest bardziej złożoną reakcją chemiczną niż redukcja protonów. W naturze kompleks wydzielający tlen przeprowadza tę reakcję poprzez gromadzenie równoważników redukujących (elektronów) w klastrze manganu i wapnia w fotosystemie II (PS II), a następnie dostarczanie ich do cząsteczek wody, w wyniku czego powstaje tlen cząsteczkowy i protony:

2 H. 2 O → O 2 + 4 H. + + 4e -

Bez katalizatora (naturalnego lub sztucznego) reakcja ta jest bardzo endotermiczna i wymaga wysokich temperatur (co najmniej 2500 K).

Dokładna struktura kompleksu wydzielającego tlen była trudna do ustalenia eksperymentalnie. Od 2011 r. Najbardziej szczegółowy model pochodził ze struktury krystalicznej fotosystemu II o rozdzielczości 1,9 Å. Kompleks jest klastrem zawierającym cztery jony manganu i jeden jon wapnia , ale dokładna lokalizacja i mechanizm utleniania wody w klastrze nie są znane. Niemniej jednak zsyntetyzowano inspirowane biologicznie kompleksy manganu i manganu z wapniem, takie jak klastry typu kubanu [Mn 4 O 4 ] , z których niektóre wykazują aktywność katalityczną.

Niektóre kompleksy rutenu , takie jak dwujądrowy „niebieski dimer” z mostkiem µ-okso (pierwszy tego rodzaju zsyntetyzowany), są zdolne do utleniania wody pod wpływem światła, dzięki zdolności do tworzenia stanów o wysokiej wartościowości . W tym przypadku kompleks rutenu działa zarówno jako fotosensybilizator, jak i katalizator. Te kompleksy i inne katalizatory molekularne nadal przyciągają naukowców w tej dziedzinie, mając różne zalety, takie jak przejrzysta struktura, miejsce aktywne i łatwy do zbadania mechanizm. Jednym z głównych wyzwań do pokonania jest ich krótkoterminowa stabilność i skuteczna heterogenizacja do zastosowań w urządzeniach do sztucznej fotosyntezy.

Stwierdzono, że wiele tlenków metali wykazuje aktywność katalityczną utleniania wody, w tym tlenek rutenu(IV) (RuO 2 ), tlenek irydu (IV) (IrO 2 ), tlenki kobaltu (w tym Co 3 O 4 domieszkowany niklem ), tlenek manganu ( w tym warstwowy MnO 2 (birnezyt), Mn 2 O 3 ) oraz mieszaninę Mn 2 O 3 z CaMn 2 O 4 . Tlenki są łatwiejsze do uzyskania niż katalizatory molekularne, zwłaszcza te ze stosunkowo obfitych metali przejściowych (kobaltu i manganu), ale mają niską częstotliwość obrotu i powolne przenoszenie elektronów , a ich mechanizm działania jest trudny do rozszyfrowania, a zatem do dostosowania.

Niedawno wykazano, że materiały na bazie metaloorganicznych ram (MOF) są wysoce obiecującymi kandydatami do utleniania wody za pomocą metali przejściowych pierwszego rzędu. Przewiduje się, że stabilność i przestrajalność tego systemu będzie bardzo korzystna dla przyszłego rozwoju.

Fotouczulacze

Struktura [Ru(bipy) 3 ] 2+ , szeroko stosowanego fotosensybilizatora.

Natura wykorzystuje pigmenty , głównie chlorofile , do absorbowania dużej części widma widzialnego. Sztuczne systemy mogą wykorzystywać jeden rodzaj pigmentu o szerokim zakresie absorpcji lub łączyć kilka pigmentów w tym samym celu.

Kompleksy polipirydyny rutenu , w szczególności tris(bipirydyno)ruten(II) i jego pochodne, są szeroko stosowane w fotoprodukcji wodoru ze względu na ich wydajną absorpcję światła widzialnego i długotrwały stan wzbudzenia przeniesienia ładunku metal-ligand , co sprawia, że kompleksuje silne czynniki redukujące. Inne metale szlachetne to kompleksy z platyną , rodem i irydem .

Niezawierające metali kompleksy organiczne są również z powodzeniem stosowane jako fotosensybilizatory. Przykłady obejmują eozynę Y i róż bengalski . Pierścienie pirolowe, takie jak porfiryny, były również stosowane do powlekania nanomateriałów lub półprzewodników zarówno w katalizie homogenicznej, jak i heterogenicznej.

W ramach obecnych wysiłków badawczych badane są systemy sztucznych anten fotonicznych w celu określenia wydajnych i zrównoważonych sposobów gromadzenia światła do sztucznej fotosyntezy. Gion Calzaferri (2009) opisuje jedną z takich anten, która wykorzystuje zeolit ​​L jako nośnik barwników organicznych, aby naśladować systemy zbierania światła roślin. Antena jest wytwarzana przez wstawienie cząsteczek barwnika do kanałów zeolitu L. Proces wstawiania, który odbywa się w próżni iw warunkach wysokiej temperatury, jest możliwy dzięki współpracującemu ruchowi wibracyjnemu szkieletu zeolitu i cząsteczek barwnika . Otrzymany materiał można połączyć z urządzeniem zewnętrznym za pośrednictwem pośredniego kurka odcinającego.

Katalizatory redukcji dwutlenku węgla

W naturze wiązanie węgla jest wykonywane przez rośliny zielone przy użyciu enzymu RuBisCO jako części cyklu Calvina . RuBisCO jest raczej powolnym katalizatorem w porównaniu z ogromną większością innych enzymów, włączając tylko kilka cząsteczek dwutlenku węgla do rybulozo-1,5-bisfosforanu na minutę, ale robi to pod ciśnieniem atmosferycznym iw łagodnych warunkach biologicznych. Powstały produkt jest dalej redukowany i ostatecznie wykorzystywany w syntezie glukozy , która z kolei jest prekursorem bardziej złożonych węglowodanów , takich jak celuloza i skrobia . Proces zużywa energię w postaci ATP i NADPH .

Sztuczna redukcja CO 2 do produkcji paliw ma na celu głównie wytwarzanie zredukowanych związków węgla z atmosferycznego CO 2 . W tym celu opracowano niektóre kompleksy polifosfin metali przejściowych ; jednak zwykle wymagają one wcześniejszego stężenia CO 2 przed użyciem, a nośniki (cząsteczki, które wiązałyby CO 2 ), które są zarówno stabilne w warunkach tlenowych, jak i zdolne do koncentracji CO 2 w stężeniach atmosferycznych, nie zostały jeszcze opracowane. Najprostszym produktem redukcji CO 2 jest tlenek węgla (CO), ale do opracowania paliwa potrzebna jest dalsza redukcja, a kluczowym etapem wymagającym dalszego rozwoju jest przeniesienie anionów wodorkowych do CO.

Fotobiologiczna produkcja paliw

Niektóre mikroorganizmy fotoautotroficzne mogą w pewnych warunkach wytwarzać wodór. Mikroorganizmy wiążące azot , takie jak cyjanobakterie nitkowate , posiadają enzym azotazę , odpowiedzialny za przemianę atmosferycznego N 2 w amoniak ; wodór cząsteczkowy jest produktem ubocznym tej reakcji i często nie jest uwalniany przez mikroorganizm, ale raczej wchłaniany przez hydrogenazę utleniającą (wychwytującą) wodór. Jednym ze sposobów zmuszenia tych organizmów do produkcji wodoru jest następnie zniszczenie aktywności wychwytującej hydrogenazy. Dokonano tego na szczepie Nostoc punctiforme : jeden z genów strukturalnych wodorazy wychwytu NiFe został inaktywowany przez mutagenezę insercyjną , a zmutowany szczep wykazywał wydzielanie wodoru pod wpływem oświetlenia.

Wiele z tych fotoautotrofów ma również dwukierunkowe hydrogenazy, które w pewnych warunkach mogą wytwarzać wodór. Jednak inne energochłonne szlaki metaboliczne mogą konkurować z elektronami niezbędnymi do redukcji protonów, zmniejszając wydajność całego procesu; te hydrogenazy są również bardzo wrażliwe na tlen.

Kilka biopaliw na bazie węgla zostało również wyprodukowanych przy użyciu cyjanobakterii, takich jak 1-butanol.

Przewiduje się, że techniki biologii syntetycznej będą przydatne w tym temacie. Inżynieria mikrobiologiczna i enzymatyczna może poprawić wydajność i odporność enzymów, a także zbudować nowe szlaki metaboliczne produkujące biopaliwa u fotoautotrofów, którym wcześniej ich brakowało, lub ulepszyć istniejące. Kolejnym rozwijanym tematem jest optymalizacja fotobioreaktorów do zastosowań komercyjnych.

Produkcja jedzenia

Naukowcy osiągnęli kontrolowany wzrost zróżnicowanej żywności w ciemności za pomocą energii słonecznej i sztucznej fotosyntezy opartej na elektrokatalizie . Może stać się sposobem na zwiększenie efektywności energetycznej produkcji żywności i zmniejszenie jej wpływu na środowisko . Nie jest jednak jasne, czy mechanizmy produkcji żywności oparte na procesie eksperymentalnym są wykonalne i czy można je skalować.

Stosowane techniki badawcze

Badania nad sztuczną fotosyntezą są z konieczności tematem multidyscyplinarnym, wymagającym wielu różnych ekspertyz. Niektóre techniki stosowane przy wytwarzaniu i badaniu katalizatorów i ogniw słonecznych obejmują:

Zalety, wady i skuteczność

Zalety produkcji paliwa słonecznego poprzez sztuczną fotosyntezę obejmują:

  • Energia słoneczna może być natychmiast przetwarzana i magazynowana. W fotowoltaicznych światło słoneczne jest przekształcane w energię elektryczną, a następnie ponownie przekształcane w energię chemiczną do przechowywania, z pewnymi niezbędnymi stratami energii związanymi z drugą konwersją.
  • Produkty uboczne tych reakcji są przyjazne dla środowiska. Sztucznie fotosyntetyzowane paliwo byłoby neutralnym pod względem emisji dwutlenku węgla źródłem energii, które można by wykorzystać w transporcie lub w domach.

Wady obejmują:

  • Materiały używane do sztucznej fotosyntezy często korodują w wodzie, więc mogą być mniej stabilne niż fotowoltaika przez długi czas. Większość katalizatorów wodorowych jest bardzo wrażliwa na tlen, ulegając inaktywacji lub degradacji w jego obecności; z czasem mogą również wystąpić fotouszkodzenia.
  • Koszt nie jest (jeszcze) wystarczająco korzystny, aby konkurować z paliwami kopalnymi jako komercyjnie opłacalnym źródłem energii.

Problemem zwykle poruszanym przy projektowaniu katalizatorów jest wydajność, w szczególności to, ile padającego światła można w praktyce wykorzystać w systemie. Jest to porównywalne z wydajnością fotosyntezy , gdzie mierzona jest konwersja światła na energię chemiczną. Organizmy fotosyntetyzujące są w stanie zebrać około 50% padającego promieniowania słonecznego, jednak teoretyczna granica wydajności fotosyntezy wynosi odpowiednio 4,6 i 6,0% dla roślin C3 i C4 . W rzeczywistości wydajność fotosyntezy jest znacznie niższa i zwykle wynosi poniżej 1%, z pewnymi wyjątkami, takimi jak trzcina cukrowa w klimacie tropikalnym. Natomiast najwyższa zgłoszona wydajność prototypów laboratorium sztucznej fotosyntezy wynosi 22,4%. Jednak rośliny skutecznie wykorzystują CO 2 w stężeniach atmosferycznych, czego sztuczne katalizatory wciąż nie są w stanie zapewnić.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Artificial_photosynthesis&oldid=1136193943 ”