Yapay Yaprak, İklim Değişikliğiyle Mücadele Etmek için Filizlenecek mi?

Güneş ışığından, sudan ve karbon dioksitten yakıt üreten teknoloji bilimsel ve ekonomik zorluklarla karşı karşıya.

Kaliforniya Palo Alto’da gri ve yağışlı bir Ekim gününde, Stanford Üniversitesi’ndeki araç parkurunda mükemmel kesilmiş gür ve yeşil çimenlere yağmur damla damla yağıyor. Bir grup kimya araştırmacısı için birkaç bina uzakta olan bu bitkiler, ofise giden yolda sadece ilham kaynağı olan güzellikte bir yer değil.

Thomas Jaramillo’nun Stanford laboratuarı içinde, bu araştırmacılar aslında bir şişeye güneş ışığı yakalamaya çalışıyor – bir çift bağlı şişe. Cam, suyla doludur ve bir güneş lambasından gelen ışığa maruz bırakılır. Şişenin içinde bulunan parlak bir iridyum teli. Diğerinde, deneysel bir katalizör ile kaplanmış küçük bir elektrot bulunur. Bu sistemde, moleküler hidrojen üreten, bitki esintili su bölücü reaksiyonları yönlendirmek için ışık kullanır. Bitişik bir cam kabinin arkasında, bitki benzeri bir şekilde, karbondioksit ile yakıt doldurulan başka bir reaktöre yapılan ürünleri uzaklaştıracak bir plastik borudan oluşan başka bir deney devam ediyor. Jaramillo’nun laboratuarı, suni fotosentez üzerinde çalışan birçok kişiden biridir. Bu bilim adamları, avuç içi ve ot gibi bitkilerin yaptığı işleri yapmayı umuyorlar: su ve CO₂ gibi bol miktarda kimyasalın yakıtlara ve diğer faydalı kimyasallara dönüştürülmesi için güneş enerjisi kullanıyorlar.

İhtiyaç korkunç. İnsanlık tarihinde ilk kez, fosil yakıtları yakarak ısıtılan  gezegen de CO₂ seviyeleri, 2015 yılında milyon başına 400 ppm’e ulaştı. İklim bilimcileri, bu sembolik seviyeyi korku ile izliyorlardı. CO₂ seviyeleri 400 ppm’e ulaşan son zaman, birkaç milyon yıl önce, türlerimiz ortaya çıkmadan önceydi. Pek çok bilim adamı bu eğilimi yavaşlatmanın ve tersyüz etmenin yollarını arıyor.

Kaliforniya Teknoloji Enstitüsünde yer alan bir Enerji Enstitüsünün Yapay Fotosentez Merkezi (JCAP) direktörü Harry Atwater, “Hedefimiz karbon yakıt döngüsünü kapatmak” dedi. Yakıtlar yakıldığında çıkan CO₂, yakalanarak yeni yakıtlara dönüştürülecektir. “Bu cüretkar bir konsepttir” diye itiraf ediyor.

Sahadaki diğer bilim adamları CO₂‘yi ham madde olarak yakalayan bir kimya endüstrisine geçmeyi hayal ederek daha da cüretkar davranıyor. Sanayi, petrokimyasallara değil, yalnızca poliüretanların, uyuşturucuların ve diğer materyallerin CO₂‘yi etkili bir şekilde sarmalayan her türlü hidrokarbonu yapmak için CO₂ kullanır. Sonuçta, bu bilim adamları, bitkilerle aynı başlangıç materyallerini kullanarak kompleks karbonhidratlar ve diğer kimyasallar ürettiğini söylüyor. Halen diğer araştırmacılar fosil yakıtları bir moleküler hidrojen kaynağı olarak yer değiştirmeyi ve sonunda bu alışılmamış yakıtın etrafında yeniden bir nakliye ve nakliye sistemini kurmayı hayal ediyor.

Son beş yılda, kimyacılar, genellikle yapay yapraklar olarak adlandırılan bu tür sistemlerin sağlam gösterilerinde, bir zamanlar bir rüya gibi görünen şeylerin mümkün olduğunu söylemişlerdir. Güneş ışığını, suyu ve CO₂‘yi hidrojen gazı, format, izopropil alkol, plastik hammaddeler ve diğer yakıtlar ve kimyasallara dönüştürmek için katalizörler ve reaktörler yarattılar. Bazı sistemler emilen güneş ışığındaki enerjinin% 10’unu kimyasal bağlara dönüştürür – Sadece% 1 veya% 2 verimlilik sağlayan doğal fotosentezin çok üstündedir.

Berkeley Kaliforniya Üniversitesi’nden bir kimyager Peidong Yang, “İnsanlara bu konseptin iyi bir verimlilikle çalıştığını söylüyoruz” diyor. Rekabetçi bir fiyatla çalışabileceğini kanıtlamak daha zorlayıcı olacaktır. Araştırmacılar, yapay yaprağın, güneş ışığından ziyade elektriği kullanarak karbonu hidrojen ve karbon haline getiren daha gelişmiş teknolojilerle rekabet edebileceğini göstermek zorunda kalacaklar. Hidrojen üretenler küçük bir ölçekte pazara sundu. Yapay yaprak, büyük ölçeklerde daha uygun maliyetli olabilir, ancak oraya varmak için önce mevcut sistemler ile rekabet etmek gerekir. Araştırmacılar yapay yaprak teknolojisinin, laboratuarın dışında, sadece iyi, salınabilir, verimlilikle değil, rekabetçi maliyetlerle pazarda karşılanmamış bir ihtiyaca uyan bir yakıt veya kimyasal yapabildiklerini göstermelidir.” diyor.

Yeşil Rüyalar

Fosil yakıtlarla ilişkili insan sağlığı ve çevre maliyetleri, araştırmacıların yapay yapraklar gibi yenilenebilir enerji teknolojileri üzerinde çalışmasına neden olur. Jaramillo, “Fosil yakıtlar bulmak kolay, ancak yaptığımız şey yaşam kalitesini elde etmemize olanak sağlıyor” dedi. Ulaştırma, plastik, bilgi işlem endüstrisi, bolca gıda- Gelişmiş dünyanın pek çok ihtiyacı fosil yakıtlara bağımlıdır ve gelişmekte olan ülkelerde giderek artan insan sayısı aynı iyi şeylere erişimi talep etmektedir.

Stanford Jaramillo laboratuarındaki bu şişelerin içinde, bir güneş lambasından gelen ışığı ve enerjiyi kullanarak hidrojen hidroliği oluşturmak için bir iridyum tel (sağda görülebilir) ve deneysel bir katalizör,  suyu ikiye bölüyor.

Yenilenebilir elektriğin kabulü büyüyor, ancak yeterli olmayacak. Temiz enerji resminde bir boşluk var. Örneğin, Caltech’teki bir kimyager olan Nathan Lewis, nakliye ve nakliye altyapımızın yaklaşık% 40’ının elektriklenemediğini söylüyor. Günümüz pilleri, ağırlıkça, özellikle uçaklarda, yeterli enerji depolamaz. Piller çok ağır. “Pil ile çalışan 787 asla olmayacak” diyor. Yakıtların kimyasal bağlarda muazzam miktarda enerji depolayabilme kabiliyeti yenilemez: Bugün en iyi piller, kilogram başına 200 watt-saat tutar; Benzinin kimyasal bağları 12.000 tutuyor.” diyor.

Yapay yaprak geliştiricilerine göre, artan iklim sıkıntılarını artırmadan enerji ve kimyasallara yönelik artan talebi karşılamak için yeni teknolojilere ihtiyaç duyuyoruz. Jaramillo, “Laboratuarımız ve bu alanda aynı türden yakıt ve kimyasalların yenilenebilir şekilde yaratılmasının yeni yolları hedefleniyor” diyor.

Böylece Jaramillo ve diğerleri yapraklardaki kimyayı taklit etmeye çalışıyorlar. Doğal fotosentez, klorofil ve diğer pigmentlerin ışığı emmesiyle başlar. Fotondaki enerji, bitki enzimlerini daha sonra suyu bölmek için kullanılan elektronları uyarır. Bu işlemle, CO₂ sabitleme de dahil olmak üzere diğer reaksiyonlarda kullanılan, daha fazla elektron ve hidrojen iyonuyla birlikte salınan oksijen gazı üretilir.

Akıllarındaki nihai ürün ne olursa olsun, yapay fotosentez üzerine çalışan kimyagerler de ışık emme ve su bölme ile başlarlar. Bu yapay yapraklarda inorganik yarı iletkenler ışığı absorbe eder ve uyarılan elektronları katalizörlere verirler ve bu da katalizörlere su ayırma reaksiyonu yapar. Bazen ışık emici ve katalizör tek ve aynı malzeme olabilir.

1972’de iki Japon araştırmacı Akira Fujishima ve Kenichi Honda, doğru malzemelerden yapılmış elektrotların, ışık varlığında suyu ayırabileceğini gösterdi. Sistemlerinin bir tarafında bir titanyum dioksit elektrodu, reaksiyonun oksijen üreten kısmını katalize etti; Diğer yandan, platin moleküler hidrojen üretimini katalize etti. Bu erken sistemdeki elektrotlar hem pahalıydı hem de fotonlardan suyu bölmek için kullanılan enerjinin verimliliği sadece% 0.1 idi.

Araştırmacılar araştırmalarını o günden beri bu gelişme üzerine inşa ediyorlardı, çoğunlukla bunu fotoelektrotektazinin daha az tuhaf adıyla anıyorlardı. Bir zorlukta malzemelerin, özellikle de katalizörlerin maliyetini düşürmek olmuştur: En etkin katalizörler olan platin ve iridyum, büyük ölçeklerde yapay fotosentez yapmak için çok pahalıdır. Ayrıca, araştırmacılar asit ve bazda uzun süre stabil olan malzemeleri geliştirmelidirler. Elektronların ve hidrojen iyonlarının hareketini kolaylaştırmak için, bu reaksiyonların asidik veya bazik bir solüsyonda yapılması gerekir. Bu, her iki katalizörün de aynı pH değerinde çalışması gerektiği anlamına gelir veya pahalı, özel membranlarla ayrılması gerekir.

2010 yılında, Enerji Bakanlığı JCAP’i başlattığında yapay fotosentez büyük bir gelişme gösterdi. İlk beş yılda merkez, 116.2 milyon dolarlık finansmanla su bölme sorununa odaklandı.

Diğer şeylerin yanı sıra, merkez, katalizörlerin yüksek verimli deneysel tarama ve hesaplama bulguları üzerine finanse edildi ve yürütüldü. Araştırmacılar fotoelektrokimyasal elektrotları kapsülleme yolları üzerinde çalıştı, böylece bu reaktörler ıslak, bazik veya asidik koşullara dayanabiliyorlardı ve proses düzeyinde reaktör tasarımlarında çalıştılar.

Sonuç, parlak jaluzileri tutan bir cam kutuya benzeyen bir prototipti. Bu entegre sistem suyun% 10’luk bir verimle bölünmesi için ışık kullanıyor ve yüzlerce saat sürekli çalışıyor. Bu cihazda, yarı iletkenden yapılmış bir elektrot, güneş ışığını emiyor, son kısımdaki  elektronlar ve delikler, suyu bölen iki nikel katalizörüne geçiyor. Her şey biraz basit bir çözüme batırılmıştır. Elektrotlar, aşınmalarını önlemek için ince bir titanyum dioksit filmi ile kaplanır.

Atwater, aygıtın kilometre taşı olduğunu söyledi ve bu, güneş suyunun ayrılması biliminin, “bilim insanları ve mühendisler tarafından daha da geliştirilmesi gereken bir teknoloji”ye dönüştüğünü gösteriyor. DOE, Ekim ayında, prototipe ilişkin araştırmanın, temel bir bilim merkezi olan JCAP’den DOE’nin Fuel Cell Teknolojileri Ofisi’nin uygulanmış bir bölümüne aktarıldığını resmi olarak ilan etti.

JCAP’ler gibi bir cihaz tarafından üretilen hidrojen, emisyonları sadece temiz su olan enerji üreten yakıt hücrelerinde kullanılabilir. Yakıt hücresi taşıyan araçlar için henüz çok fazla pazar yok, ancak Japonya, Almanya, ABD ve diğer ülkelerdeki hükümet programları bunun için bastırıyor. Toyota ve Hyundai hidrojen yakıt hücresi arabaları yapıyor; Honda da bir tane yapmayı planladığını açıkladı.

Ya da bu yenilenebilir hidrojen daha geniş pazara girebilir. Her yıl metan yenilenemez buhar reformasyonu ile 50 metrik megaton hidrojen yapılır. Günümüzde hidrojen için büyük bir talep var – ancak çoğunlukla yakıt olarak kullanılmıyor. Hidrojen öncelikli olarak petrol arıtımında ve gübre üretiminde-CO₂ yayan süreçlerde kullanılır. Yine de yenilenebilir bir hidrojen kaynağı bu işlemleri biraz daha yeşil hale getirecektir.

Yakıt Hücresi Teknolojileri Bürosunun hidrojen için hedef fiyatı ulaşım, depolama ve dağıtımdan sonra kilogram başına 4,00 $ ‘dır. Bir kilo hidrojen, bir galon benzin kadar enerjiyi depolar. Yapay fotosentez yeni bir teknoloji olduğundan DOE’nin bu cihazlar tarafından üretilen hidrojen için maliyet hedefleri kadar agresif değildir. Fuel Cell Technologies Office’in direktörü Sunita Satyapal’ın hedefi, yapay yapraklardan elde edilen kilogram başına 7,00 $ ‘a 2020 yılına kadar ulaşmayı hedefliyor.

Temiz Karbon

Bu arada, JCAP ve diğerleri zor bir soruna geçti. Gelişmiş dünya şimdiye kadar hidrojene dayalı olmayan bir fosil yakıt altyapısına yatırım yapmıştır. Yapay fotosentez için ideal son nokta, benzin ve polimerler gibi halihazırda kullandığımız kimyasalların yenilenebilir bir versiyonu olacaktır. Oraya gitmek için kimyagerler, bitkilerin yaptıklarından daha fazlasını nasıl yapacaklarını hesaplamalıdır. CO₂‘yi düzeltmek için su bölme ile üretilen elektronlar ve hidrojen kullanılmalıdır.

Massachusetts Teknoloji Enstitüsünde, CO₂ indirgeyici katalizörler üzerinde çalışan profesör olan Karthish Manthiram, “CO₂ ile ilgili en zor şey bu kadar kararlı bir molekül olması” diyor. “Katalizör açısından termodinamik kısmı  rahatlatılmaya çalışılıyor” diyor.

Termodinamik açısından, Pennsylvania Üniversitesi’nden hesaplamalı bir kimyager olan Aleksandra Voyvodic’in moleküler hidrojen yapması nispeten basit bir işlemdir – tepki sadece iki elektron gerektirir. Ancak CO₂‘nin azaltılması karmaşıklık bakımından önemli bir adımdır. Araştırmacılar, sekiz elektronu hışpuzlayabilecek katalizörler bulmalılar. Birden fazla karbonu uzun zincirlerle birbirine bağlamak daha da zordur.

Atwater “CO₂ azaltma bilimi çok zordur” diyor. “Birinin yakıt ya da benzeri yakıt yapmasına izin veren faktörleri anlayabilir, faydalı bir şey yapabilirsek çok memnun oluruz” Ancak bu reaksiyonların özgüllüğü düşük olma eğilimindedir. Şimdiye kadar, katalizörler tek karbonlu moleküller üretebilir ve birbirlerinden ayrılmaları gereken bir karışıklık ortaya koyma eğilimindedirler.

Manthiram, son zamanlara kadar, katalitik bir süreç kullanarak hidrojen yakıtı dışında bir şey yapmak fütüristik bir ihtimal gibi görünüyordu diyor. “Birkaç yıl önce, on yıllardır uzak olduğumuzu söyleyebilirim” diyor. “Şu an hissediliyor” Bunu, neredeyse her hafta bilimsel dergilerde, yeni rekor kıran CO₂ azaltma katalizörleri adı altında görebilirsiniz.

Fotoelektrokimyasal CO₂ reaktörleri, bir elektroliti batırılmış elektrotlar ve katalizörler ile su ayrımlı projelere benzer şekilde tasarlanmıştır. Temel fark, konsantre CO₂‘nin elektrolite kabarcıklandırılmasıdır. Gaz saflaştırma ve konsantrasyonun maliyeti, teknolojinin ekonomik analizlerine dahil edilmelidir. Suni bir fotosentez reaktörü için konsantre CO₂‘nin bir kaynağı kömürle çalışan bir elektrik santralinde bir karbon yakalama sistemi olabilir.

Princeton Üniversitesi’nden hesaplamalı bir kimyager olan Emily Carter, şimdiye kadarki en iyi foto-elektrokatalizörler üç yarı iletkendir diyor. Galyum fosfit, bakır indiyum sülfür ve kadmiyum tellürür, CO₂‘nin benzine dönüştürmek için kullanılabilecek olan metanol içine indirgenmesini katalize edebilir.

Güneş ışığını emen bir elektrodun gösterilmesi için JCAP’deki bir reaktör açılır ve suyun

hidrojen ve oksijen gazlarına ayrılması için bu enerjiyi kullanır.

Carter, “Böyle küçük miktarlarda metanol üretiyorsunuz, harika” dedi. Bu küçük miktarda metanol solüsyondan ayrılmalıdır, bu da çok fazla enerji alır. Carter yıllardır bu metanol üreten reaksiyonlar üzerinde çalışıyor. Hala çok iyi anlaşılmadığını söylüyor. Araştırmacılar nedenini bilmiyorlar, ancak bu katalizatörlerin hepsi asit içinde suda, piridin karışımı içinde çalışıyor. Son araştırmaları, piridin reaksiyonda aracılık ettiğini ileri sürüyor.

“Kimyacılar felsefesidir: Anlayabiliyorsanız, belki daha iyi hale getirebilirsiniz” diyor Carter. Bu durumda daha iyi olursanız, muhtemelen sadece metanolü daha yüksek konsantrasyonlarda üretmekle kalmaz, aynı zamanda doğal olarak sudan ayrılan bazı hidrokarbon da üretebilirsiniz.”

Carter, bir sürü fotektrokatalisti sorduğunu ve bildiğini söylüyor. Tepkiyi katalize eden iyi bir iş yapmış olmalılar, aynı zamanda iyi ışık emicileri olmalı ve harçları ayırma ve hareket ettirme konusunda iyi olmalıdırlar. “Birkaç özelliği optimize etmenin daha kolay olabileceği sonucuna varıyorum, hepsini değil” diyor.

Işıksız Reaksiyonlar

Yapay yapraklı alan, hidrojen ve hidrokarbon üretmek için daha verimli sistemlerin geliştirilmesinin yanı sıra piyasada gelişmek için önemli bir engelin üstesinden gelmek durumunda kalacaktır. Su bölüştürerek hidrojen yapmak için halihazırda daha olgun teknolojiler var ve CO2 kaynağını hammadde olarak kullanan benzer teknolojiler var. Ama bunu karanlıkta yapıyorlar. Bu cihazlar bazen bir güneş pili veya başka bir yenilenebilir kaynaktan hidrojen veya hidrokarbon üretmek için elektrik kullanıyor.

DOE’li Satyapal, DOE’nin düşünülmekte olan tüm yenilenebilir yöntemlerini “fotoelektrokimyasal hidrojen üretimi, en düşük teknoloji seviyesinde hazır” diyerek değerlendiriyor. Güneş ışığını atlayan elektrokatalitik sistemler ve suyun ayrılması ve hidrojen meydana getirmek için elektrik ve platin grubu metal katalizörleri kullanılması halihazırda piyasada ve çok daha gelişmiş durumda diyor.

Proton OnSite’daki Ar-Ge başkan yardımcısı ve JCAP bilimsel danışma kurulu üyelerinden Katherine (Kathy) Ayers, yapay yaprağın mevcut teknolojilerden kaynaklanan zorlu rekabet nedeniyle asmada asılı kalma ihtimalinin yüksek olduğunu söylüyor. Conn, Wallingford merkezli şirket elektrokimyasal hidrojen jeneratörü üretmektedir. Pahalı katalizörleri ve bir duvar tıpasından gelen elektriği kullanan elektroliz sistemleri, yakıt hücrelerinde ve gaz kromatograflarında ve hava balonlarında kullanılan diğer uygulamalarda kullanılmak üzere dağıtılmış küçük ölçekli hidrojen üretimine olan talebi zaten karşılamaktadır diyor.

Teorik olarak, JCAP’in nikel esaslı olanları gibi daha ucuz katalizörleri kullanan fotoelektrotatalitik sistemler, büyük ölçekli olarak işletildiklerinde daha düşük maliyetler sunar. Merkez tarafından yapılan bir analiz, ekonomik açıdan uygun bir bitkinin günde 610 metrik ton hidrojen üretebileceğini gösteriyor. Bütün bu hidrojen 1 kilovat enerji depoluyordu.

Ancak bu tür sistemleri piyasaya sürmek, daha küçük ölçekte çalıştıkları bir aşamadan geçmek zorunda kalacak ve Ayrica, kurulu elektrokatalitik sistemler ile doğrudan rekabet edebileceklerini söylüyor. Daha küçük ölçeklerde, emek, elektrik ve su taşıma sistemleri gibi maliyetler hakimdir. Ve bu maliyetlerin bazıları, başlangıçta fotoelektrotektazi için muhtemelen daha yeni olacak çünkü daha yüksek olacak. Elektrokatalizörler yıllarca var olmuşlardır. Suni fotosentez sistemleri, muhtemelen ışığı ele almak zorunda oldukları için karmaşık halde elektroliz devam ederken, imalatı daha pahalı olan ve daha karmaşık olan yeni malzemeleri bütünleştireceklerdir.

Ayers, “Fotoelektrotektirik, megawatt ölçeğine kadar maliyet-etkin değilse, nasıl bir sıçrayış yapıyorsunuz?” Diye soruyor.

Bu sistemlerin ve karanlık elektrokatalitik rekabetin olgun olmasa da, fotoelektrokatalitik CO₂ azaltımı içeren teknolojiler için benzer bir pazar zorluğu olabilir. Bugün, işi yapmak için en iyi elektrokatalizör, CO₂‘yi metana indiren bakırdır. Metan gazı çözülmeden kabarcıklar; bazı fotoelektrotatalitik sistemlerde üretilen metanol üzerinde açık bir avantaj. Kimyagerlerin bakır ve diğer elektrotkatalizörlerle yakınmaları, CO₂‘yi yavaş yavaş azaltarak endüstriyel açıdan uygulanabilir olmalarıdır. Jaramillo, “Bu sadece çok yavaş değil, ancak bir milyon veya bir milyar faktör kadar yavaş” dedi.

Yine de, birkaç start-up sürecin üzerine bahis oynuyorlar. Örneğin, Berkeley, California 12 numaralı Opus, polimer yapı taşları ve diğer kimyasalları yapmak için CO₂‘yi azaltmak için karanlık bir elektrokatalitik sürecin ölçeklendirilmesi üzerinde çalışıyor.

Karanlık süreçler devam edecekse, neden öncelikle fotoelektrotektazi ile uğraşıyorsunuz? Carter, yenilenebilir enerji kullanmayı önemsiyorsanız, iyi nedenlerin olduğunu söylüyor. Elektrokataliz, nihai olarak elektrik kaynağının etkinliği ile sınırlandırılacaktır. Eğer enerji, güneş ışığındaki enerjinin% 20’sini elektriğe dönüştüren bir güneş pili tarafından sağlanırsa, üst verimlilik sınırı% 20 olacaktır ve bunu, ancak her şey mükemmel olursa, buna ulaşacaktır. Bu sistemin elektrokatalizörünün etkinliği% 10 ise, toplam verimlilik yalnızca% 2 olacaktır. Artı, her bağlantı noktasında bir kayıp olacak. Carter, fotoelektrotektalizatörler genel olarak daha iyi bir verimlilik sağlayabilirler, çünkü bu çoğalma problemi olmayacağını söylüyor.

Canlı Kanıtı

Daha saf daha değerli kimyasallar üretme problemini ortadan kaldırmak için, bazı araştırmacılar orijinal ilham kaynağına dönüyor: biyoloji. Harvard Üniversitesi’nden sentetik biyolog Pamela Silver, kimyagerlerin biyolojiyi taklit etmeye çalışan düğüm haline gelmelerinin gerekli olmadığını düşünüyor. Ona karşı olan soru, biyolojinin bize verdiği nasıl kullanacağınızdır. “Bitkiler orada en iyi kimyagerler” diyor. “Bunu saf kimya ile değiştirmeye çalışmak” bazı şeylerin gereksiz yere zorlanmasına neden olabilir. “Biyoloji kullanmazsak bu nasıl işe yarayacak?” Diye soruyor.

Silver’un grubu, karbonu düzeltmek ve karmaşık karbon bileşiklerini üretmek için ölen mikroplarla yaşayan, hidrojen yapan, sentetik katalizörleri birleştiren bir avuç çalışmadır. Bugüne kadar, en karmaşık hidrokarbonları güneş ışığı kullanarak (bitkiler dışında) üretebilen fotosentetik sistemler bu biyoniktir.

Bu konuda, kimyager Daniel Nocera laboratuvarını MIT’den Harvard’a taşıdığında, 2013’te çalışmaya başladı. Silver, hidrojen oluşturan mikroplar üzerinde çalışıyordu ve sınırlı başarı olduğunu kabul ediyordu. Nocera ona yaklaştığında ilgisini çekmişti. Nocera, 2008 yılında ilk suni fotosentez start-up’ı Sun Catalytix’i kurdu. Şirket, 2013 yılında dağınık güneş enerjisiyle çalışan su ayırma sistemi üzerinde çalışarak tamamen farklı türde enerji depolama akışı pilleri üretmek için mücadele etti. . 2014 yılında şirketin varlıkları Lockheed Martin tarafından satın alındı.

Nocera, moleküler hidrojen için başka bir kullanım bulmak istedi: mikroplar için bir yem olarak. O ve Silver, CO₂ düzeltmek için hidrojen kullanabilen ve biyo plastik olan polihidroksialkanoatları veya PHA’ları üretebilen bakteri Ralstonia eutrofa’ya yöneldiler.

İlk sistem, oksijen gelişimini katalizlemek için kobalt fosfat ve hidrojen üretimini katalize etmek için bir nikel alaşımı kullandı. Silver, PHA’ya ek olarak bakterileri izopropil alkol, izobütil alkol ve isoamil alkol üretmek için genetik olarak tasarladı. Silver ve Nocera’nın erken çalışmaları sırasında, reaktördeki nikel sızıntı bakteriyel büyümeyi engelledi. Nocera nikel yerine bir kobalt fosfor katalizörü getirdi.

UC Berkeley’nin Yang da biyonik bir sistem geliştirdi. Nocera’nın reaktörü elektrokatalitik iken Yang’ın doğrudan ışığı kullanıyor. Yarıiletken nanoteller ışık absorbe eder; Teller üzerine kaplanan katalizörler suyun hidrojen veya elektron haline getirilmesi için ayrılırlar. Yang’ın grubu, bakterilerin bu tellerde rahatça yaşayabileceğini ve CO₂‘yi düzeltmek için kuruluma bağlı olarak onlardan elektron veya hidrojen alabileceğini gösterdi. Ayrıca, asetat gibi bir ürünü doğal gaz ve bütanol gibi insanlar için daha yararlı kimyasallara dönüştürmek için konser halinde çalışan çok sayıda bakteri türü de kullandı. Yeni nesil sistemin daha basit olacağını söylüyor; kendi ışık emici yarıiletkenlerini sentezleyebilen bakteriler üzerinde çalışıyor.

Böylece mikroplar yapay fotosentezin ilerlemesini pazara hızlandırabilir mi? Yang öyle düşünmüyor. “Bu teknoloji için hâlâ erken bir aşamadayım” diyor. “Ölçeklemek için acele ediyorum.” Bir kimyager olan Yang, üzerinde çalıştığı tamamen inorganik sistemleri destekliyor. “Daha iyi bir çözüm, daha dayanıklı bir çözüm” diyor.

Gümüş katılmaz. Biyolojik zenginleştirmeye dayanan zaten büyük çaplı endüstriyel proseslerin bulunduğunu belirtiyor. Fakat daha küçük ölçekli, dağınık kimyasal üretimle ilgileniyor. Gümüş, biyonik reaktörü, belki de yakıt hücrelerine güç sağlamak ya da gübre yapmak için hidrojen yapmak için bireysel evlerde kullanılacağını öngörüyor. Bu durumda, sistem CO₂ yerine nitrojeni düzeltmek için yeniden tasarlanacaktır.

Nocera, yapay fotosentezin gelişmiş ülkelerde hiç işe yaramayacağını düşünüyor – en azından günümüz ekonomisinde değil. “Uzun vadeli bir vizyonumuz olmalıdır” diyor. “Bir gün, petrokimya endüstrisini değiştirmeliyiz” diye ekliyor: “Son 10-15 yıl içinde, bilimsel keşiflerin sayısı nefes kesici” olmasına rağmen, yakın zamanda olmayacak. Gelişmiş dünyada, “ödediğiniz büyük bir altyapınız var” ve petrokimyasalların etrafında inşa edilmiştir.

Biyonik yaprağın gelişmekte olan ülkelerde ve merkezi altyapı bulunmayan yerlerde dağıtılan kimyasal ve yakıt üretimi için en uygun olduğuna inanıyor. Gümüş’le geliştirdiği teknolojiyi lisanslamak için Hintli yatırımcılarla birlikte çalıştığını söylüyor; ancak daha fazla bilgi veremiyor.

Güneş Işığını Yakıt Haline Getirme

Çeşitli deneysel sistemler, güneş ışığını yakıtlara ve diğer faydalı kimyasal maddelere dönüştürmek için farklı yöntemler kullanır.

JCAP araştırmacıları tarafından tasarlanan bir reaktör içerisinde, çok tabakalı bir elektrot hidroelektrik yakıt ve oksijenin güneş ışığı ve sudan üretilmesini katalize eder. Elektronun içindeki yarı iletkenler tarafından soğurulan ışık, şarjların ayrılmasına neden olur. Bir tarafta bir katalizör oksijen üretimini kolaylaştırır; Diğer yandan, hidrojen iyonları hidrojen yakıtı üretmek için birleşir. Titanyum dioksit ince bir tabaka, elektrotu elektrolit ile aşınmaya karşı korur.

Peidong Yang’ın hibrid reaktöründe insan yapımı malzemeler ve biyoloji, yapay fotosentez üzerinde işbirliği yapıyor. Yarıiletken nanoteller güneş ışığını emer ve hidrojen iyonları oluşturmak için suyun reaksiyonunu katalize eder. Reaktörde yaşayan bakteri karbon dioksit ve hidrojeni alır ve asetik asit üretir. Bu da, asetik asit değerli kimyasallara ve yakıtlara dönüştürülebilen mühendislik E. coli’ye beslenir.

Kaynak : acs.org

Haberi Çeviren : Zehra Oruç

Üniversite : Mersin Üniversitesi (Lisans Öğrencisi)

Bölüm : Kimya Mühendisliği

Mail : z.oruc3363@gmail.com

Not : Haberlerin dergi yönetimi ile çevirene haber verilmeksizin yayınlanması, kopyalanması, kendi web sitenize eklenmesi kesinlikle yasaktır.  Bir yerde yayınlamayı düşünenler iletisim@inovatifkimyadergisi.com adresine ve de haberi çeviren arkadaşımıza mail atarak durumu belirtmeleri gerekmektedir.