Yapay Fotosentez ile Verimliliği Artırmak
Fotoğraf: Grafiksel özet.
EPFL’deki kimya mühendisleri, sudan daha temiz bir yakıt olarak hidrojeni üreten güneş enerjisini toplayıp depolayan yapay fotosentez yöntemine yeni bir yaklaşım geliştirdiler.
EPFL Kimya Bilimleri ve Mühendisliği Enstitüsü’nde (ISIC) kimya mühendisi olan Astrid Olaya, “Yapay fotosentez tüm kimyagerlerin kutsal kâsesidir” diyor. “Amaç, bir yandan güneş ışığını yakalamak, diğer yandan suyu oksijen ve proton üretmek için oksitlemek, bir diğer yandan ise protonları hidrojene veya karbondioksiti kimyasallara ve yakıtlara indirgemektir. Döngüsel bir kimya endüstrisinin özü budur.”
Artan küresel enerji talepleri ile birlikte, olumsuz çevresel etkileri daha da fazla belirgin hale gelen fosil yakıtlara kıyasla, daha uygulanabilir alternatiflere ihtiyacımız var. Bu alternatiflerden biri de enerji için basit yakıt hücrelerince tüketilen ve geriye sadece su bırakan hidrojendir.
Hidrojen üretmeye yönelik bir yöntem, su moleküllerinin moleküler hidrojen ve oksijene ayrıldığı “su yarılmasıdır (water splitting)”. Yapay fotosentezde, su moleküllerini parçalamak için gereken enerjiyi üretmek için ışık emilir.
Yapay bir fotosentez cihazının klasik tasarımı nispeten basittir: duyarga adı verilen ışık emici bir boya, elektrik yüklerini (anot ve katot) ayıran bir yarı iletken ve son olarak suyun indirgeme-oksidasyon reaksiyonunu çalıştıran bir elektrokatalizör gerekir.
Ancak süreç çok yavaş kalmakta. Görünür ışıkla (örneğin güneş ışığı) su oksidasyonu, yapay fotosentez için hala bir engeldir ve yarım yüzyılı aşkın araştırmaya rağmen büyük ölçekli gelişmeyi engellemektedir. Olaya, “Sorun, yüksek kimyasal kararlılığa, uygun optoelektronik özelliklere ve yüksek katalitik verimliliğe sahip elektrot malzemeleri bulmanın zor olmasıdır” diyor.
Duyargalar Verimliliği Artırır
EPFL’deki Hubert Girault Laboratuvarı’nda çalışan Olaya, yapay fotosenteze yeni bir yaklaşım sağlayan bir araştırmaya öncülük etti. Çalışma, Journal of the American Chemical Society Gold‘da (JACS Au) yayınlandı.
Olaya, “Bu çalışmada, suyu basit bir organik molekül olan tetrathiafulvalene (TTF) ile foto-okside ettik” diyor. “TTF’nin bir tuz versiyonunun, görünür ışığı yakalamak için duyargalar ve suyu oksijene oksitlemek için elektron pompaları gibi davranan mikro çubuklar halinde kendi kendine kurulabildiği gösterilmiştir.” Genellikle bu yavaş ve çok adımlı bir reaksiyondur, ancak TTF tuz molekülleri yığını, bir su molekülünü oksitlemek için gereken dört elektronu yakalayabilir.
Yağlı Bir Dokunuş
Araştırmacılar ayrıca bir yağ emülsiyonunda su kullandılar. Olaya, “TTF duyargası, su oksidasyonundan üretilen protonların çıkarıldığı su fazına yakın yağ fazında bulunabilir” diyor. “Doğal fotosentezde olduğu gibi, çift fazlı sistem, reaktanların ve ürünlerin etkili bir şekilde ayrılmasını sağlar.”
TTF yalnızca tümü yaygın olarak bulunan karbon, kükürt ve hidrojen atomlarından oluşur. Bu durum, platin veya iridyum gibi değerli metal iyonları gerektirmediğinden yeni yöntemin aynı zamanda uygun maliyetli ve sürdürülebilir olduğu anlamına da gelmektedir. Olaya son olarak şunları ekliyor, “Bu çalışma, sadece birkaç basit organik molekülle yapay fotosenteze yaklaşmanın yeni bir yolu.”
Kaynak: phys.org
