Fotosentez Yardımıyla Güneş Enerjisini Hidrojen Yakıtına Dönüştürmek
Küresel ekonomik büyüme, artan enerji talebiyle birlikte gelir. ancak enerji üretimini hızlandırmak zor olabilir. Son zamanlarda, bilim adamları güneşten yakıta dönüşüm için rekor bir verimlilik elde ettiler ve şimdi bunu daha da ileri götürmek için fotosentez mekanizmasını dahil etmek istiyorlar. Araştırmacılar sonuçlarını bugün Amerikan Kimya Derneği (ACS) Sonbahar 2020 Sanal Toplantı ve Fuarı’nda sunacaklar.
Projenin baş araştırmacısı Lilac Amirav, “Çevresel önemi olan kimyasal reaksiyonları yönlendirmek için güneş ışığını kullanan bir fotokatalitik sistem – fotosentez kullanan bir sistem – üretmek istiyoruz” diyor.
Bilim İnsanları Fotosentezi Enerji Üretiminde Nasıl Kullanacak?
Özellikle, İsrail Teknoloji Enstitüsü’ndeki grup, suyu hidrojen yakıtına ayırabilen bir fotokatalist tasarlıyor . Amirav, “Çubuk şeklindeki nanopartiküllerimizi suya yerleştirdiğimizde ve üzerlerine ışık tuttuğumuzda, pozitif ve negatif elektrik yükleri oluşturuyorlar” diyor. “Su molekülleri kırılır; negatif yükler hidrojen üretir (indirgeme) ve pozitif yükler oksijen üretir (oksidasyon). Pozitif ve negatif yükleri içeren iki reaksiyon aynı anda gerçekleşmelidir. Pozitif yüklerden yararlanmadan, negatif yükler, istenen hidrojeni üretmek için yönlendirilemez. “
Birbirlerine çekilen pozitif ve negatif yükler yeniden birleşmeyi başarırlarsa birbirlerini iptal ederler ve enerji kaybolur. Bu nedenle, yüklerin birbirinden yeterince uzakta olduğundan emin olmak için ekip, metal ve metal oksit katalizörlerle birlikte farklı yarı iletkenlerin bir kombinasyonundan oluşan benzersiz heteroyapılar yaptı. Bir model sistem kullanarak, indirgeme ve oksidasyon reaksiyonlarını ayrı ayrı incelediler ve yakıt üretimini optimize etmek için heteroyapıyı değiştirdiler.
2016 yılında ekip, çubuk şeklindeki bir kadmiyum sülfür parçasına gömülü küresel kadmiyum-selenid kuantum noktalı bir heteroyapı tasarladı. Uca bir platin metalik parçacık yerleştirildi. Kadmiyum-selenid parçacığı pozitif yükler çekerken, uçta negatif yükler birikmiştir. Amirav, “Kuantum noktasının boyutunu ve çubuğun uzunluğunu ve diğer parametreleri ayarlayarak, güneş ışığını su indirgemesinden hidrojene %100 dönüştürmeyi başardık” diyor. Tek bir fotokatalizör nanopartikülünün saatte 360.000 molekül hidrojen üretebileceğini belirtiyor.
Fotosentez Tekniği Oldukça Güzel Bir Yaklaşım…
Grup, sonuçlarını ACS dergisi Nano Letters’da yayınladı. Ancak bu deneylerde, reaksiyonun yalnızca yarısını (indirgeme) incelediler. Uygun işlev için, fotokatalitik sistemin hem indirgeme hem de oksidasyon reaksiyonlarını desteklemesi gerekir. Amirav, “Henüz güneş enerjisini yakıta dönüştürmüyorduk ” diyor. “Kuantum noktasına sürekli olarak elektron sağlayacak bir oksidasyon reaksiyonuna hala ihtiyacımız vardı.” Su oksidasyon reaksiyonu çok aşamalı bir süreçte gerçekleşir ve sonuç olarak önemli bir zorluk olarak kalır. Ek olarak, yan ürünleri yarı iletkenin kararlılığını tehlikeye atıyor gibi görünüyor.
Grup, işbirlikçileriyle birlikte, onları benzilamine götüren, su yerine oksitlenebilecek farklı bileşikler arayan yeni bir yaklaşım keşfetti. Araştırmacılar, benzilamini benzaldehite dönüştürürken aynı anda sudan hidrojen üretebileceklerini keşfettiler. Amirav, “Bu araştırma ile, süreci fotokatalizden fotosenteze, yani güneş enerjisinin yakıta gerçek dönüşümüne dönüştürdük” diyor. Fotokatalitik sistem, maksimum% 4,2 güneş-kimyasal enerji dönüşüm verimliliği ile güneş enerjisinin depolanabilir kimyasal bağlara gerçek dönüşümünü gerçekleştirir. “Bu rakam fotokataliz alanında yeni bir dünya rekoru oluşturuyor ve önceki rekoru ikiye katlıyor” diye ekliyor. “ABD Enerji Bakanlığı% 5-10’u ‘ fotokataliz yoluyla hidrojen üretmek için pratik fizibilite eşiği ‘. Bu nedenle, ekonomik olarak uygulanabilir güneşten hidrojene dönüşümün eşiğindeyiz. “
Bu etkileyici sonuçlar, araştırmacıları güneşten kimyasala dönüşümleri yüksek olan başka bileşikler olup olmadığını görmeye motive etti. Bunu yapmak için ekip yapay zeka kullanıyor. Bir işbirliği sayesinde, araştırmacılar ideal bir yakıt üreten bileşik için kimyasal yapıları aramak için bir algoritma geliştiriyorlar. Ek olarak, fotoğraf sistemlerini geliştirmenin yollarını araştırıyorlar ve bir yol doğadan ilham almak olabilir. Fotosentezin elektrik devresini içeren bitki hücre zarlarındaki bir protein kompleksi , nanopartiküller ile başarılı bir şekilde birleştirildi. Amirav, bu yapay sistemin şimdiye kadar verimli olduğunu ve suyu desteklediğini söylüyor. Oksidasyon, -foto akım sağlarken- diğer benzer sistemlerin ürettiğinden 100 kat daha büyüktür.