Изкуствена фотосинтеза: технологията "две в едно", която може да спаси планетата

Фотосинтеза: основен механизъм за живот на тази планета, бич на студентите по биология на GCSE и сега потенциален начин за борба с изменението на климата. Учените работят усилено за разработването на изкуствен метод, който имитира как растенията използват слънчевата светлина, за да трансформират CO2 и водата в нещо, което можем да използваме като гориво. Ако проработи, това ще бъде печеливш сценарий за нас: не само ще се възползваме от възобновяемата енергия, произведена по този начин, но и може да се превърне във важен начин за намаляване на нивата на CO2 в атмосферата.

Изкуствена фотосинтеза: технологията "две в едно", която може да спаси планетата

На растенията обаче са били необходими милиарди години за развитие на фотосинтезата и не винаги е лесна задача да се възпроизведе това, което се случва в природата. В момента основните стъпки в изкуствената фотосинтеза работят, но не много ефективно. Добрата новина е, че изследванията в тази област набират скорост и има групи по целия свят, които правят стъпки към овладяване на този интегрален процес.

Двустепенна фотосинтеза

Фотосинтезата не е само улавяне на слънчева светлина. Гущерът, който се къпе на топло слънце, може да направи това. Фотосинтезата се е развила в растенията като начин за улавяне и съхраняване на тази енергия ("фото" бита) и превръщането му във въглехидрати (бита "синтез"). Растенията използват серия от протеини и ензими, захранвани от слънчевата светлина, за да отделят електрони, които от своя страна се използват за превръщане на CO2 в сложни въглехидрати. По принцип изкуствената фотосинтеза следва същите стъпки.

фотоволтаични_соларни_ клетки

Вижте сродни стълбове за лампи в Лондон се превръщат в точки за зареждане Слънчева енергия във Великобритания: Как работи слънчевата енергия и какви са нейните предимства?

„При естествената фотосинтеза, която е част от естествения въглероден цикъл, ние имаме светлина, CO2 и вода, които влизат в завода и растението произвежда захар“, обяснява Фил Де Луна, кандидат за докторантура, работещ в катедрата по електротехника и компютърно инженерство в университета в Торонто. „При изкуствената фотосинтеза използваме неорганични устройства и материали. Действителната част за събиране на слънчева енергия се извършва от слънчеви клетки, а частта за преобразуване на енергия се извършва чрез електрохимични [реакции в присъствието на] катализатори.

Това, което наистина привлича този процес, е способността да се произвежда гориво за дългосрочно съхранение на енергия. Това е много повече от това, което сегашните възобновяеми енергийни източници могат да направят, дори и с нововъзникващите технологии за батерии. Ако слънцето не е излязло или ако не е ветровит ден, например, слънчевите панели и вятърните паркове просто спират да произвеждат. „За продължително сезонно съхранение и съхранение в сложни горива се нуждаем от по -добро решение“, казва Де Луна. „Батериите са чудесни за всеки ден, за телефони и дори за автомобили, но никога няма да пуснем [Boeing] 747 с батерия.”

Предизвикателства за решаване

Що се отнася до създаването на слънчеви клетки-първата стъпка в процеса на изкуствена фотосинтеза-ние вече разполагаме с технологията: системи за слънчева енергия. Сегашните фотоволтаични панели, които обикновено са полупроводникови системи, са сравнително скъпи и неефективни в сравнение с природата. Необходима е нова технология; такъв, който губи много по -малко енергия.

Гари Хейстингс и неговият екип от Държавния университет в Джорджия, Атланта, може би са се натъкнали на отправна точка, когато разглеждат оригиналния процес в растенията. При фотосинтезата решаващата точка включва преместване на електрони на определено разстояние в клетката. Най -просто казано, това движение, причинено от слънчевата светлина, по -късно се превръща в енергия. Хейстингс показа, че процесът е много ефективен по природа, тъй като тези електрони не могат да се върнат в първоначалното си положение: „Ако електронът се върне там, откъдето е дошъл, тогава слънчевата енергия се губи“. Въпреки че тази възможност е рядка в растенията, тя се случва доста често в слънчевите панели, обяснявайки защо те са по -малко ефективни от истинските.

Хейстингс вярва, че „това изследване вероятно ще напредне в технологиите на слънчевите клетки, свързани с производството на химикали или горива“, но той бързо посочва, че това е само идея в момента и е малко вероятно този напредък да се случи скоро. „По отношение на производството на напълно изкуствена технология за слънчеви клетки, проектирана въз основа на тези идеи, аз вярвам, че технологията е още по-далеч в бъдеще, вероятно не в рамките на следващите пет години дори за прототип.“

изкуствена_фотосинтеза

Един проблем, който изследователите смятат, че сме близо до решаването, включва втората стъпка в процеса: превръщането на CO2 в гориво. Тъй като тази молекула е много стабилна и отнема невероятно количество енергия, за да я разбие, изкуствената система използва катализатори, за да намали необходимата енергия и да ускори реакцията. Този подход обаче носи свой собствен набор от проблеми. През последните десет години имаше много опити, като катализаторите бяха направени от манган, титан и кобалт, но продължителната употреба се оказа проблем. Теорията може да изглежда добра, но те или престават да работят след няколко часа, стават нестабилни, забавят се или предизвикват други химични реакции, които могат да увредят клетката.

Но сътрудничеството между канадски и китайски изследователи изглежда е постигнало джакпота. Те откриха начин да комбинират никел, желязо, кобалт и фосфор, за да работят при неутрално рН, което прави работата на системата значително по -лесна. „Тъй като нашият катализатор може да работи добре в неутрален рН електролит, който е необходим за намаляване на CO2, можем да стартираме електролизата на редукция на CO2 в [а] система без мембрани и по този начин напрежението може да бъде намалено“, казва Бо Джанг, от катедрата по макромолекулярни науки в университета Фудан, Китай. С впечатляващите 64% преобразуване на електрическа в химическа енергия, екипът сега е рекордьор с най-висока ефективност за системи за изкуствена фотосинтеза.

„Най -големият проблем с това, което имаме в момента, е мащабът“

За техните усилия екипът стигна до полуфиналите в NRG COSIA Carbon XPRIZE, което може да им спечели 20 милиона долара за техните изследвания. Целта е „да се разработят революционни технологии, които да превърнат емисиите на CO2 от електроцентрали и промишлени съоръжения в ценни продукти“ и с подобрените си системи за изкуствена фотосинтеза те имат добри шансове.

Следващото предизвикателство е увеличаването. „Най -големият проблем с това, което имаме в момента, е мащабът. Когато се увеличим, в крайна сметка губим ефективност “, казва Де Луна, който също е участвал в изследването на Джан. За щастие, изследователите не са изчерпали списъка си с подобрения и сега се опитват да направят катализаторите по -ефективни чрез различни състави и различни конфигурации.

Победа на два фронта

Със сигурност все още има място за подобрения в краткосрочен и дългосрочен план, но мнозина смятат, че изкуствената фотосинтеза има потенциала да се превърне във важен инструмент като чиста и устойчива технология за бъдещето.

„Това е невероятно вълнуващо, защото полето се движи толкова бързо. Що се отнася до комерсиализацията, ние сме на върха “, казва Де Луна и добавя, че дали ще работи„ ще зависи от много фактори, които включват публичната политика и приемането от индустрията за приемане на технологиите за възобновяема енергия . ”

Постигането на правилната наука всъщност е само първата стъпка. В резултат на изследванията на Хастингс и Джан ще дойде решаващият ход за усвояване на изкуствената фотосинтеза в нашата глобална стратегия за възобновяема енергия. Залогът е голям. Ако успее, ще спечелим на два фронта - не само за производство на горива и химически продукти, но и за намаляване на въглеродния ни отпечатък в процеса.