Yakıt Üretiminde Yeni Çığır: Fotosentez Yardımı ile Güneş Enerjisinin Hidrojen Yakıtına Dönüşümü
Küresel ekonomik büyüme enerjiye olan ihtiyacın artmasını beraberinde getiriyor ancak enerji üretimini arttırmak zorlayıcı olabiliyor. Son zamanlarda bilim insanları güneşten yakıta dönüşüm ile ilgili verimli çalışma kaydetmeyi başardılar ve daha da ilerletmek için bünyelerinde fotosentez makineleri bulundurmayı istiyorlar.
Araştırmacılar sonuçlarını “Amerikan Kimya Derneği (ACS) Güz 2020 Sanal Toplantısında” sunacaklar.
Projenin baş araştırmacısı Dr. Lilac Amirav:”Çevresel önemi olan kimyasal reaksiyonları yürütmek için güneş ışığını kullanarak fotokatalik sistem kurmak istiyoruz.”diyor.
Bilhassa ,İsrail Teknoloji Enstitüsün’ndeki grubu; suyu hidrojen yakıtına ayırabilecek bir fotokatalist tasarlıyor. Amirav:” Çubuk şeklindeki nanopartiküllerimizi suya yerleştirdiğimizde ve onlara ışık tuttuğumuzda, pozitif ve negatif elektrik yükleri üretiyorlar. ” diyor. “Su molekülleri kırılır; negatif yükler hidrojen üretir (indirgeme) ve pozitif yükler oksijen üretir (yükseltgenme). Pozitif ve negatif yükleri içeren bu iki reaksiyon aynı anda gerçekleşmelidir. Pozitif yüklerden yararlanılmadan, negatif yükler istenen hidrojeni üretmek için yönlendirilemez.”
Birbirlerine çekilen pozitif ve negatif yükler yeniden birleşmeyi başarırlarsa birbirlerini etkisiz hale getirirler ve enerji kaybolur. Bu nedenle, yüklerin birbirinden yeterince uzak olduğundan emin olmak için ekip; metal ve metal oksit katalizörleri ile birlikte farklı yarı iletkenlerin bir kombinasyonundan oluşan benzersiz hetero yapılar inşa etti. Bir model sistemi kullanarak, indirgeme ve yükseltgenme reaksiyonlarını ayrı ayrı incelediler ve yakıt üretimini optimize etmek için hetero yapıyı 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 ve kadmiyum-selenid parçacığı pozitif yükleri çekerken uçta negatif yükler birikti.Amirav:” Kuantum noktasının boyutunu ve çubuğun uzunluğunu ve diğer parametreleri ayarlayarak, su indirgemesinden Güneş ışığını hidrojene %100 dönüştürmeyi başardık.”diyor. “Tek bir fotokatalitik nanopartikül saatte 360.000 hidrojen molekülü üretebilir.” diye de ekliyor.
Grup, sonuçlarını Amerikan Kimya Derneği dergisi Nano Letters’da yayınladı. Ancak bu deneylerde, reaksiyonun(indirgeme) sadece yarısını inceleyebildiler. Uygun işlev için, fotokatalitik sistemin hem indirgeme hem de yükseltgenme reaksiyonlarını desteklemesi gerekir.
Amirav:”Henüz güneş enerjisini yakıta dönüştüremedik ve kuantum noktasına sürekli olarak elektron sağlayacak bir yükseltgenme reaksiyonuna ihtiyacımız vardı. Su yükseltgenme 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.”diyor.
Grup; işbirlikçilerle birlikte yeni bir yaklaşım keşfetti.Bu; su yerine yükseltgenebilecek farklı bileşikler bulmak oldu.Bu da onları benzilamine götürdü. Araştırmacılar, benzilamini benzaldehite dönüştürürken aynı anda sudan hidrojen üretebileceklerini keşfettiler.Amirav:” Bu araştırma ile süreci fotokatalizden fotosenteze dönüştürdük. Fotokatalitik sistem, güneş enerjisinin depolanabilir kimyasal bağlara gerçek dönüşümünü gerçekleştirir ve maksimum %4.2 güneşten kimyasal enerjiye dönüşüm verimliliği sağlar. Bu rakam fotokataliz alanında yeni bir dünya rekoru kırıyor ve önceki rekoru ikiye katlıyor. ABD Enerji Bakanlığı, %5-10’u fotokataliz yoluyla hidrojen üretmek için ‘pratik fizibilite eşiği’ olarak tanımladı. Bu nedenle, ekonomik olarak uygulanabilir güneş-hidrojen dönüşümünün eşiğindeyiz.”diye ekliyor.
Bu etkileyici sonuçlar, araştırmacıları güneşten kimyasala dönüşümleri yüksek olan başka bileşikler olup olmadığını görmeye motive etti. Ekip bunu yapmak için yapay zeka kullanıyor. Bir işbirliği sayesinde, araştırmacılar ideal bir yakıt üreten bileşiğin kimyasal yapılarını aramak için bir algoritma geliştiriyorlar.Ayrıca, fotosistemlerini geliştirmenin yollarını arıyorlar ve bu 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, su yükseltgenmesini desteklediğini ve diğer benzer sistemlerin ürettiğinden 100 kat daha büyük foto akım sağladığını söylüyor.
Kaynak : sciencedaily.com
