Umělá fotosyntéza - Artificial photosynthesis

Umělá fotosyntéza je chemický proces, který biomimizuje přirozený proces fotosyntézy za účelem přeměny slunečního světla , vody a oxidu uhličitého na uhlohydráty a kyslík . Termín umělá fotosyntéza se běžně používá k označení jakéhokoli schématu pro zachycování a ukládání energie ze slunečního světla v chemických vazbách paliva ( solární palivo ). Fotokatalytické štěpení vody převádí vodu na vodík a kyslík a je hlavním tématem výzkumu umělé fotosyntézy. Světelně řízená redukce oxidu uhličitého je dalším studovaným procesem, který replikuje přirozenou fixaci uhlíku .

Výzkum tohoto tématu zahrnuje návrh a montáž zařízení pro přímou výrobu solárních paliv, fotoelektrochemii a její aplikaci v palivových článcích a inženýrství enzymů a fotoautotrofních mikroorganismů pro mikrobiální výrobu biopaliv a biovodíku ze slunečního světla.

Přehled

Fotosyntetický Reakce může být rozdělena do dvou polovin reakce z oxidace a redukce , z nichž oba jsou nezbytné pro výrobu paliva . V rostlinné fotosyntéze se molekuly vody fotooxidují za uvolnění kyslíku a protonů. Druhá fáze fotosyntézy rostlin (také známá jako Calvin-Bensonův cyklus ) je reakce nezávislá na světle, která přeměňuje oxid uhličitý na glukózu (palivo). Výzkumníci umělé fotosyntézy vyvíjejí fotokatalyzátory, které jsou schopné provádět obě tyto reakce. Kromě toho mohou být protony vzniklé štěpením vody použity k výrobě vodíku. Tyto katalyzátory musí být schopné rychle reagovat a absorbovat velké procento dopadajících slunečních fotonů .

Přirozená (vlevo) versus umělá fotosyntéza (vpravo)

Zatímco fotovoltaika může poskytovat energii přímo ze slunečního světla, neefektivnost výroby paliva z fotovoltaické elektřiny (nepřímý proces) a skutečnost, že sluneční svit není po celý den konstantní, stanoví limit pro její využití. Jedním ze způsobů využití přirozené fotosyntézy je výroba biopaliva , což je nepřímý proces, který trpí nízkou účinností přeměny energie (v důsledku vlastní nízké účinnosti fotosyntézy při přeměně slunečního světla na biomasu), náklady na sklizeň a přepravu paliva, a konflikty kvůli rostoucí potřebě masy půdy pro produkci potravin. Účelem umělé fotosyntézy je vyrábět palivo ze slunečního světla, které lze pohodlně skladovat a používat, když sluneční světlo není k dispozici, pomocí přímých procesů, tj. K výrobě solárního paliva . S vývojem katalyzátorů schopných reprodukovat hlavní části fotosyntézy by voda a sluneční světlo byly nakonec jedinými potřebnými zdroji pro výrobu čisté energie. Jediným vedlejším produktem by byl kyslík a výroba solárního paliva by mohla být levnější než benzín.

Jedním z procesů pro vytvoření čisté a dostupné dodávky energie je vývoj fotokatalytického štěpení vody za slunečního světla. Tato metoda udržitelné výroby vodíku je hlavním cílem rozvoje systémů alternativní energie . Předpokládá se také, že bude jedním z více, ne -li nejúčinnějších způsobů získávání vodíku z vody. Přeměna sluneční energie na vodík procesem štěpení vody pomocí fotosemivodičových katalyzátorů je jednou z nejslibnějších technologií ve vývoji. Tento proces má potenciál pro výrobu velkého množství vodíku ekologicky šetrným způsobem. Přeměna sluneční energie na čisté palivo (H 2 ) za okolních podmínek je jednou z největších výzev, se kterými se vědci ve dvacátém prvním století potýkají.

Pro konstrukci solárních palivových článků pro výrobu vodíku jsou obecně uznávány dvě metody:

  • Homogenní systém je takový, že katalyzátory nejsou rozděleny do skupin , to znamená, že složky jsou přítomny ve stejném oddělení. To znamená, že vodík a kyslík se vyrábějí na stejném místě. To může být nevýhodou, protože skládají výbušnou směs, která vyžaduje separaci plynných produktů. Také všechny složky musí být aktivní za přibližně stejných podmínek (např. PH ).
  • Heterogenní systém má dvě oddělené elektrody , anodu a katodu, což umožňuje oddělení produkce kyslíku a vodíku. Kromě toho různé součásti nemusí nutně fungovat za stejných podmínek. Vyšší složitost těchto systémů však ztěžuje jejich vývoj a je dražší.

Další oblastí výzkumu v rámci umělé fotosyntézy je výběr a manipulace s fotosyntetickými mikroorganismy, konkrétně zelenými mikrořasami a sinicemi , pro výrobu solárních paliv. Mnoho kmenů je schopno vyrábět vodík přirozeně a vědci pracují na jejich zlepšení. Biopaliva z řas, jako je butanol a methanol, se vyrábějí jak v laboratorním, tak v komerčním měřítku. Tato metoda těžila z vývoje syntetické biologie , který je také zkoumán Institutem J. Craiga Ventera za účelem výroby syntetického organismu schopného produkce biopaliv. V roce 2017 byl vyvinut účinný proces výroby kyseliny octové z oxidu uhličitého pomocí „kyborgských bakterií“.

Dějiny

Umělou fotosyntézu poprvé očekával italský chemik Giacomo Ciamician v průběhu roku 1912. V přednášce, která byla později publikována ve Vědě , navrhl přechod od používání fosilních paliv ke sálavé energii poskytované sluncem a zachycené technickými fotochemickými zařízeními. V tomto přepínači viděl možnost zmenšit rozdíl mezi bohatým severem Evropy a chudým jihem a odvážil se odhadnout, že tento přechod z uhlí na sluneční energii „nebude škodit pokroku a lidskému štěstí“.

Na konci šedesátých let minulého století objevila Akira Fujishima fotokatalytické vlastnosti oxidu titaničitého , takzvaný efekt Honda-Fujishima, který by mohl být použit k hydrolýze .

Rozdělení viditelné lehké vody pomocí jednodílného víceúčelového polovodičového zařízení (vs. UV světlo s polovodiči oxidu titaničitého) bylo poprvé předvedeno a patentováno Williamem Ayersem na zařízení pro přeměnu energie v roce 1983. Tato skupina demonstrovala fotolýzu vody na vodík a kyslík, nyní označovanou jako „umělý list“ s levným tenkovrstvým amorfním křemíkovým víceúčelovým listem ponořeným přímo do vody. Vodík se vyvíjel na předním amorfním křemíkovém povrchu zdobeném různými katalyzátory, zatímco kyslík se vyvíjel z kovového substrátu na zadní straně, což také eliminovalo nebezpečí vývoje smíšeného plynu vodík/kyslík. Polymerová membrána nad ponořeným zařízením poskytovala cestu pro transport protonů. Vyšší fotovoltaika dostupná z multijukčního tenkovrstvého zařízení s viditelným světlem byla velkým pokrokem oproti předchozím pokusům o fotolýzu pomocí UV nebo jiných polovodičových fotoelektrod s jednoduchým spojením. Patent skupiny uvádí kromě amorfního křemíku také několik dalších polovodičových multijunkčních kompozic.

Švédské konsorcium pro umělou fotosyntézu, první svého druhu, bylo založeno v roce 1994 jako spolupráce mezi skupinami tří různých univerzit, Lund , Uppsala a Stockholm , v současné době aktivní v okolí Lundu a Ångström Laboratories v Uppsale. Konsorcium bylo vybudováno s multidisciplinárním přístupem zaměřeným na učení z přirozené fotosyntézy a aplikaci těchto znalostí v biomimetických systémech.

Výzkum umělé fotosyntézy zažívá na počátku 21. století boom. V průběhu roku 2000 vědci Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) propagovali svůj záměr zdůraznit zachycování oxidu uhličitého a jeho přeměnu na uhlovodíky. V roce 2003 národní laboratoř Brookhaven oznámila objev důležité mezilehlé části redukce CO 2 na CO (nejjednodušší možná redukční reakce oxidu uhličitého), která by mohla vést k lepším katalyzátorům.

Jednou z nevýhod umělých systémů pro katalyzátory štěpení vody je jejich obecná závislost na vzácných, drahých prvcích, jako je ruthenium nebo rhenium. V průběhu roku 2008 se na financování United States Air Force Office vědeckého výzkumu , MIT chemik a ředitel Solar Revolution Project Daniel G. Nocera a Postdoktorand Matthew Kanan pokusila obejít tento problém pomocí katalyzátoru, který obsahuje levnější a hojnější prvky kobalt a fosfát. Katalyzátor byl schopen rozdělit vodu na kyslík a protony pomocí slunečního světla a mohl by být potenciálně spojen s katalyzátorem produkujícím plynný vodík, jako je platina. Kromě toho, i když se katalyzátor během katalýzy rozpadl, mohl se sám opravit. Tento experimentální design katalyzátoru byl mnohými výzkumníky považován za zásadní vylepšení.

Zatímco CO je hlavním redukčním produktem CO 2 , obvykle jsou požadovány složitější sloučeniny uhlíku. V průběhu roku 2008 Andrew B. Bocarsly hlásil přímou přeměnu oxidu uhličitého a vody na methanol pomocí sluneční energie ve velmi účinném fotochemickém článku.

Zatímco Nocera a spolupracovníci dosáhli štěpení vody na kyslík a protony, je žádoucí lehký proces výroby vodíku. V průběhu roku 2009 Leibnizův institut pro katalýzu hlásil levné komplexy karbonylu železa, které jsou toho schopné. Během téhož roku použili vědci z University of East Anglia také karbonylové sloučeniny železa k dosažení fotoelektrochemické výroby vodíku se 60% účinností, tentokrát pomocí zlaté elektrody pokryté vrstvami fosfidu india, na které byly navázány komplexy železa. Oba tyto procesy používaly molekulární přístup, kde jsou za katalýzu zodpovědné diskrétní nanočástice.

V průběhu roku 2009 F. del Valle a K. Domen ukázali účinek tepelného zpracování v uzavřené atmosféře pomocí Cd
1- xZn
XS fotokatalyzátory. CD
1- xZn
X Pevný roztok S vykazuje vysokou aktivitu při výrobě vodíku z rozštěpení vody při slunečním záření. Smíšená heterogenní / Molekulární přístup výzkumníky na University of California, Santa Cruz , v průběhu roku 2010, za použití jak dusík dopované a kadmium selenid kvantové tečky -sensitized oxidu titaničitého nanočástic a nanovláken , také získá photoproduced vodík.

Umělá fotosyntéza zůstala akademickou oblastí po mnoho let. Na začátku roku 2009 však společnost Mitsubishi Chemical Holdings údajně vyvíjí vlastní výzkum umělé fotosyntézy využívající sluneční světlo, vodu a oxid uhličitý k „vytváření stavebních kamenů uhlíku, ze kterých lze syntetizovat pryskyřice, plasty a vlákna“. To bylo potvrzeno zřízením institutu KAITEKI později téhož roku, přičemž jedním z hlavních cílů bylo snížení oxidu uhličitého pomocí umělé fotosyntézy.

V průběhu roku 2010 Ministerstvo energetiky Spojených států amerických založena jako jedna z jejích energetických inovací huby , do Společného střediska pro umělé fotosyntézy . Posláním JCAP je najít nákladově efektivní způsob výroby paliv využívajících jako vstupy pouze sluneční světlo, vodu a oxid uhličitý. JCAP je řízen týmem z Kalifornského technologického institutu (Caltech) pod vedením profesora Nathana Lewise a sdružuje více než 120 vědců a inženýrů z Caltechu a jeho hlavního partnera, Lawrence Berkeley National Laboratory . JCAP také čerpá z odborných znalostí a schopností klíčových partnerů ze Stanford University , University of California v Berkeley , UCSB , University of California, Irvine a University of California v San Diegu a Stanford Linear Accelerator . Kromě toho JCAP slouží jako centrální centrum pro další výzkumné týmy solárních paliv po celých Spojených státech, včetně 20 DOE Energy Frontier Research Center. Program má rozpočet 122 milionů USD na pět let, s výhradou prostředků Kongresu

Také v průběhu roku 2010 tým vedený profesorem Davidem Wendellem z University of Cincinnati úspěšně prokázal fotosyntézu v umělém konstruktu sestávajícím z enzymů suspendovaných v pěnovém pouzdře.

V průběhu roku 2011 Daniel Nocera a jeho výzkumný tým oznámili vytvoření prvního praktického umělého listu. V projevu na 241. národním setkání Americké chemické společnosti popsal Nocera pokročilý solární článek o velikosti pokerové karty schopné rozdělit vodu na kyslík a vodík, přibližně desetkrát účinnější než přirozená fotosyntéza. Buňka je většinou vyrobena z levných materiálů, které jsou široce dostupné, pracuje za jednoduchých podmínek a vykazuje zvýšenou stabilitu oproti předchozím katalyzátorům: v laboratorních studiích autoři prokázali, že prototyp umělého listu může fungovat nepřetržitě po dobu nejméně čtyřiceti pěti hodin bez pokles aktivity. V květnu 2012 Sun Catalytix, startup založený na výzkumu společnosti Nocera, uvedl, že prototyp nebude rozšiřovat, protože zařízení nabízí několik úspor oproti jiným způsobům výroby vodíku ze slunečního světla. (Společnost Sun Catalytix se později odklonila od solárního paliva a vyvinula baterie, které místo toho ukládají energii do energetické sítě, a společnost Lockheed koupila společnost za nezveřejněnou částku v roce 2014) Přední odborníci v této oblasti podpořili návrh globálního projektu o umělých Fotosyntéza jako kombinované řešení energetické bezpečnosti a změny klimatu. Konference na toto téma se konaly v roce 2011 na ostrově Lord Howe, v Chicheley Hall ve Velké Británii v roce 2014 a na ostrově Canberra a Lord Howe v roce 2016.

Aktuální výzkum

Z energetického hlediska lze přirozenou fotosyntézu rozdělit do tří kroků:

  • Světelné komplexy v bakteriích a rostlinách zachycují fotony a transdukují je na elektrony a vstřikují je do fotosyntetického řetězce.
  • Přenos elektronů spojený s protonem podél několika kofaktorů fotosyntetického řetězce, což způsobuje místní, prostorové oddělení náboje .
  • Redoxní katalýza, která využívá výše zmíněné přenesené elektrony k oxidaci vody na dioxygen a protony; tyto protony mohou být u některých druhů použity pro produkci dihydrogenu .
Sestava triády s fotosenzibilizátorem (P) spojeným v tandemu s katalyzátorem oxidace vody (D) a katalyzátorem vyvíjejícím vodík (A). Když dojde ke katalýze, proudí elektrony z D do A.

Pomocí biomimetických přístupů se umělá fotosyntéza pokouší sestrojit systémy provádějící stejný typ procesů. V ideálním případě by trojice mohla oxidovat vodu jedním katalyzátorem, redukovat protony druhým a mít molekulu fotosenzibilizátoru pro napájení celého systému. Jedním z nejjednodušších návrhů je, když je fotosenzibilizátor propojen v tandemu mezi katalyzátorem oxidace vody a katalyzátorem vyvíjejícím vodík:

  • Fotosenzibilizátor přenáší elektrony na vodíkový katalyzátor, když je zasažen světlem, a přitom se oxiduje.
  • To pohání katalyzátor štěpení vody, aby daroval elektrony fotosenzibilizátoru. V sestavě triády je takový katalyzátor často označován jako dárce. Oxidovaný dárce je schopen provádět oxidaci vody.

Stav triády s jedním katalyzátorem oxidovaným na jednom konci a druhým redukovaným na druhém konci triády se označuje jako separace náboje a je hybnou silou pro další přenos elektronů a následně katalýzu. Různé složky mohou být sestaveny různými způsoby, jako jsou supramolekulární komplexy, kompartmentalizované buňky nebo lineárně kovalentně spojené molekuly.

Výzkum zaměřený na hledání katalyzátorů, které mohou přeměňovat vodu, oxid uhličitý a sluneční světlo na uhlohydráty nebo vodík, je aktuálním aktivním polem. Studiem přírodního komplexu vyvíjejícího kyslík (OEC) vědci vyvinuli katalyzátory, jako je „modrý dimer“, který napodobuje jeho funkci. Fotoelektrochemických buňky , které snižují oxidu uhličitého na oxid uhelnatý (CO), kyselina mravenčí (HCOOH) a methanolu (CH 3 OH) jsou ve vývoji. Tyto katalyzátory jsou však stále velmi neúčinné.

Vodíkové katalyzátory

Vodík je nejjednodušší syntetizovatelné sluneční palivo, protože zahrnuje pouze přenos dvou elektronů na dva protony. Musí se však provádět postupně, za vzniku meziproduktu hydridového aniontu:

2 e - + 2 H + ⇌ H + + H - ⇌ H 2

Katalyzátory převádějící proton na vodík přítomné v přírodě jsou hydrogenázy . Jedná se o enzymy, které mohou buď redukovat protony na molekulární vodík, nebo oxidovat vodík na protony a elektrony. Spektroskopické a krystalografické studie zahrnující několik desetiletí vedly k dobrému pochopení struktury i mechanismu hydrogenázové katalýzy. Pomocí těchto informací bylo syntetizováno několik molekul napodobujících strukturu aktivního místa hydrogenázy nikl-železo a železo-železo. Jiné katalyzátory nejsou strukturálními napodobeninami hydrogenázy, ale spíše funkčními. Syntetizované katalyzátory zahrnují strukturální modely H-clusterů, fotokatalyzátor dirhodia a kobaltové katalyzátory.

Katalyzátory oxidující vodu

Oxidace vodou je složitější chemickou reakcí než redukce protonů. V přírodě komplex vyvíjející kyslík tuto reakci provádí tak, že akumuluje redukční ekvivalenty (elektrony) v klastru manganu a vápníku ve fotosystému II (PS II) a poté je dodává do molekul vody s výslednou produkcí molekulárního kyslíku a protonů:

2 H 2 O → O 2 + 4 H + + 4e -

Bez katalyzátoru (přírodního nebo umělého) je tato reakce velmi endotermická a vyžaduje vysoké teploty (nejméně 2 500 K).

Přesnou strukturu komplexu vyvíjejícího kyslík bylo těžké experimentálně určit. V roce 2011 byl nejpodrobnějším modelem krystalová struktura fotosystému II s rozlišením 1,9 Á. Komplex je shluk obsahující čtyři manganové a jeden ionty vápníku , ale přesné umístění a mechanismus oxidace vody uvnitř klastru není znám. Nicméně, manganu a manganu a vápníku komplexy biologicky inspirované byly syntetizovány, jako je například [Mn 4 O 4 ] kuban typu klastrů , některé s katalytickou aktivitou.

Některé rutheniové komplexy, například dvoujaderný µ-oxo přemostěný „modrý dimer“ (první svého druhu, který má být syntetizován), jsou schopné světelně poháněné oxidace vody, díky tomu, že mohou vytvářet stavy s vysokou valencí . V tomto případě komplex ruthenia působí jako fotosenzibilizátor a katalyzátor. Tyto komplexy a další molekulární katalyzátory stále přitahují výzkumné pracovníky v této oblasti a mají různé výhody, jako je jasná struktura, aktivní místo a snadno studovatelný mechanismus. Jednou z hlavních výzev, které je třeba překonat, je jejich krátkodobá stabilita a účinná heterogenizace pro aplikace v zařízeních s umělou fotosyntézou.

Bylo nalezeno mnoho oxidy kovů, aby oxidační voda katalytickou aktivitu, včetně ruthenium (IV) oxidu (RuO 2 ), iridia (IV) oxidu (IRO 2 ), oxidy (včetně kobaltu nikl - dotovaného Co 3 O 4 ), oxidu manganu ( včetně vrstveného MnO 2 (birnessit), Mn 2 O 3 ) a směsi Mn 2 O 3 s CaMn 2 O 4 . Oxidy se získávají snadněji než molekulární katalyzátory, zejména katalyzátory z relativně hojných přechodových kovů (kobalt a mangan), ale trpí nízkou frekvencí fluktuace a pomalými vlastnostmi přenosu elektronů a jejich mechanismus účinku je těžké rozluštit, a proto upravit.

Nedávno se ukázalo, že materiály na bázi Metal-Organic Framework (MOF) jsou velmi slibným kandidátem pro oxidaci vody pomocí přechodových kovů první řady. Předpokládá se, že stabilita a laditelnost tohoto systému bude pro budoucí vývoj velmi přínosná.

Fotosenzibilizátory

Struktura [Ru (bipy) 3 ] 2+ , široce používaného fotosenzibilizátoru.

Příroda k absorpci široké části viditelného spektra používá pigmenty , zejména chlorofyly . Umělé systémy mohou používat buď jeden typ pigmentu se širokým rozsahem absorpce, nebo kombinovat několik pigmentů pro stejný účel.

Ruthenium polypyridinové komplexy , zejména tris (bipyridin) ruthenium (II) a jeho deriváty, byly široce používány ve fotoprodukci vodíku díky jejich účinné absorpci viditelného světla a dlouhodobému následnému excitovanému přenosu náboje z kovu na ligand , což způsobuje komplexuje silná redukční činidla. Mezi další používané komplexy obsahující vzácný kov patří komplexy s platinou , rhodiem a iridiem .

Organické komplexy bez obsahu kovů byly také úspěšně použity jako fotosenzibilizátory. Mezi příklady patří eosin Y a růžový bengál . Pyrrolové kruhy, jako jsou porfyriny, byly také použity při potahování nanomateriálů nebo polovodičů pro homogenní i heterogenní katalýzu.

V rámci současného výzkumného úsilí jsou studovány umělé fotonické anténní systémy s cílem určit efektivní a udržitelné způsoby shromažďování světla pro umělou fotosyntézu. Gion Calzaferri (2009) popisuje jednu takovou anténu, která používá zeolit ​​L jako hostitele organických barviv, aby napodobila systémy sběru světla rostlin. Anténa je vyrobena vložením molekul barviva do kanálů zeolitu L. Proces vložení, který probíhá ve vakuu a za vysokých teplot, je umožněn kooperativním vibračním pohybem zeolitové kostry a molekul barviva. Výsledný materiál může být propojen s externím zařízením prostřednictvím meziproduktu uzavíracího kohoutu.

Katalyzátory redukce oxidu uhličitého

V přírodě se fixace uhlíku provádí zelenými rostlinami pomocí enzymu RuBisCO jako součásti Calvinova cyklu . RuBisCO je ve srovnání s drtivou většinou ostatních enzymů poměrně pomalý katalyzátor, který do ribulosa-1,5-bisfosfátu za minutu vnáší jen několik molekul oxidu uhličitého , ale činí to za atmosférického tlaku a za mírných biologických podmínek. Výsledný produkt se dále redukuje a nakonec se použije při syntéze glukózy , která je zase předchůdcem složitějších sacharidů , jako je celulóza a škrob . Proces spotřebovává energii ve formě ATP a NADPH .

Umělá redukce CO 2 pro výrobu paliva je zaměřena převážně na výrobu sloučenin se sníženým obsahem uhlíku z atmosférického CO 2 . Za tímto účelem byly vyvinuty některé polyfosfinové komplexy přechodných kovů ; obvykle však před použitím vyžadují předchozí koncentraci CO 2 a nosiče (molekuly, které by fixovaly CO 2 ), které jsou jak stabilní v aerobních podmínkách, tak schopné koncentrovat CO 2 při atmosférických koncentracích, dosud nebyly vyvinuty. Nejjednodušším produktem redukce CO 2 je oxid uhelnatý (CO), ale pro vývoj paliva je nutná další redukce a klíčovým krokem, který také vyžaduje další vývoj, je přenos hydridových aniontů na CO.

Fotobiologická výroba paliv

Některé fotoautotrofní mikroorganismy mohou za určitých podmínek produkovat vodík. Dusík fixující mikroorganismy, jako jsou například vláknité sinic , mají enzym nitrogenase , zodpovědný za přeměnu atmosférického dusíku 2 do amoniak ; molekulární vodík je vedlejším produktem této reakce a není mnohokrát uvolňován mikroorganismem, ale je pohlcován hydrogenázou oxidující (přijímající) hydrogenázou. Jedním ze způsobů, jak přinutit tyto organismy produkovat vodík, je potom zničit aktivitu absorpce hydrogenázy. To bylo provedeno na kmeni Nostoc punctiforme : jeden ze strukturních genů NiFe vychytávací hydrogenázy byl inaktivován inzerční mutagenezí a mutantní kmen vykazoval vývoj vodíku pod osvětlením.

Mnoho z těchto fotoautotrofů má také obousměrné hydrogenázy, které za určitých podmínek mohou produkovat vodík. Jiné energeticky náročné metabolické cesty však mohou konkurovat potřebným elektronům při redukci protonů, což snižuje účinnost celého procesu; také jsou tyto hydrogenázy velmi citlivé na kyslík.

Bylo také vyrobeno několik biopaliv na bázi uhlíku pomocí sinic, jako je 1-butanol.

Předpokládá se, že techniky syntetické biologie budou pro toto téma užitečné. Mikrobiologické a enzymatické inženýrství má potenciál zlepšit účinnost a robustnost enzymů a také konstruovat nové metabolické cesty produkující biopaliva ve fotoautotrofech, kterým dříve chyběly, nebo zlepšovat ty stávající. Dalším rozvíjeným tématem je optimalizace fotobioreaktorů pro komerční aplikace.

Zaměstnané výzkumné techniky

Výzkum v oblasti umělé fotosyntézy je nutně multidisciplinární téma, které vyžaduje mnoho různých odborných znalostí. Některé techniky používané při výrobě a zkoumání katalyzátorů a solárních článků zahrnují:

Výhody, nevýhody a účinnost

Mezi výhody výroby solárního paliva prostřednictvím umělé fotosyntézy patří:

  • Sluneční energii lze okamžitě přeměnit a uložit. Ve fotovoltaických článcích se sluneční světlo přeměňuje na elektrickou energii a poté se opět přeměňuje na chemickou energii pro skladování, přičemž s druhou konverzí je spojena určitá nezbytná ztráta energie.
  • Vedlejší produkty těchto reakcí jsou šetrné k životnímu prostředí. Uměle fotosyntetizované palivo by bylo uhlíkově neutrálním zdrojem energie, který by mohl být použit pro dopravu nebo domácnosti.

Mezi nevýhody patří:

  • Materiály používané pro umělou fotosyntézu často korodují ve vodě, takže mohou být po dlouhou dobu méně stabilní než fotovoltaika . Většina vodíkových katalyzátorů je velmi citlivá na kyslík, v jeho přítomnosti je deaktivována nebo degradována; v průběhu času může také dojít k poškození fotkou.
  • Náklady nejsou (zatím) natolik výhodné, aby mohly konkurovat fosilním palivům jako komerčně životaschopnému zdroji energie.

Při návrhu katalyzátoru se obvykle řeší účinnost, zejména to, kolik dopadajícího světla lze v systému v praxi použít. To je srovnatelné s fotosyntetickou účinností , kde se měří přeměna světla na chemickou energii. Fotosyntetické organismy jsou schopné shromáždit asi 50% dopadajícího slunečního záření, avšak teoretický limit účinnosti fotosyntézy je 4,6 a 6,0% pro rostliny C3 a C4 . Ve skutečnosti je účinnost fotosyntézy mnohem nižší a obvykle je nižší než 1%, s některými výjimkami, jako je cukrová třtina v tropickém podnebí. Naproti tomu nejvyšší uváděná účinnost u prototypů laboratoří umělé fotosyntézy je 22,4%. Rostliny však využívají CO 2 při atmosférických koncentracích, což umělé katalyzátory stále nedokážou.

Viz také

Reference

externí odkazy