“En akılcı enerji kaynağı en bol, ucuz ve temiz olanıdır” denilirse, o zaman bitkilerin insanlardan daha akılcı olduğu söylenebilir. Milyarlarca yıldan fazla bir süredir fabrikalar, dünyanın en verimli enerji kaynağı olmuştur. Güneş ışığını, karbondioksiti ve suyu kullanarak fotosentez yaparak oksijen ürettiler. Bitkiler için “kullanılabilir yakıt” (algler ve bazı bakterilerle birlikte) karbonhidratlar, proteinler ve yağlardır. Öte yandan, insanlar arabaları için sıvı yakıta ve buzdolaplarını çalıştırmak için elektriğe ihtiyaç duyarlar. Bilim adamları yıllardır çeşitli üretimlerde kullanılmak üzere bitkilerin enerji sistemini taklit etmenin bir yolunu bulmaya çalışıyorlar.
Enerji girdisi olarak güneş ışığından başka hiçbir şey kullanmayan bitkiler, muazzam enerji dönüşümleri gerçekleştirerek yaklaşık 1.000 milyar ton karbondioksiti organik maddeye, yani hayvanlar için yiyecek biçimindeki enerjiye dönüştürür. Bunu da Dünya’ya ulaşan güneş ışığının sadece yüzde 3’ünü kullanarak yapıyorlar. Güneş ışığındaki enerji, yeni anlamaya ve kullanmaya başladığımız bir kaynaktır. Mevcut fotovoltaik teknoloji, yarı iletken tabanlı bir model sistemdir. Pahalıdır ve çok verimsizdir ve yalnızca güneş ışığından elektriğe anında, depolanamayan dönüşümler yapar. Ancak daha gelişmiş bir yapay fotosentez sistemi, bitkilerde olanları başarıyla taklit edebilen bir fotoelektrokimyasal (PEC) sistem, sonsuza dek ihtiyaç duyacağımız tüm temiz gazları ve elektrik gücünü nispeten ucuz bir şekilde sağlayabilir.
Yapay fotosenteze yaklaşımlar
Bitkilerin ideal fotosentez yeteneğini geri getirmek için, enerji dönüştürme sistemi iki önemli şeyi yapabilmelidir (yapısal olarak bir “kağıt” işlevi gören bir tür nanotüpte): güneş ışığını toplayabilmeli ve su moleküllerini ayırabilmelidir. . Bitkiler bu işlemleri, güneş ışığını yakalayan klorofil ve bu ışığı su moleküllerine, hidrojene, elektronlara ve oksijene (protonlara) dönüştürmek için proteinler ve enzimler kullanarak gerçekleştirir. Daha sonra, karbon dioksiti karbonhidratlara dönüştürmek için elektronlar ve hidrojen kullanılır ve oksijen açığa çıkar.
Yapay bir sistemin insan ihtiyaçlarına cevap verecek şekilde çalışabilmesi için çıktılarının değişmesi gerekir. Reaksiyonun sonunda sadece oksijenin salınması yerine, sıvı hidrojenin (veya muhtemelen metanolün) de salınması gerekir. Bu hidrojen doğrudan sıvı yakıt olarak kullanılabilir veya bir yakıt hücresine dönüştürülebilir.
Güneş ışığını yakalamak sorun değil ve güneş enerjisi sistemleri bunu kolayca yapıyor. Halihazırda su moleküllerinde bulunduğundan, hidrojen üretim sürecini oluşturmakta da sorun yoktur, çünkü hidrojen zaten su moleküllerindedir. Buradaki zorluk, hidrojen üreten kimyasal süreç için gerekli elektronları elde etmek için su moleküllerini ayırmaktır. Bu, yaklaşık 2,5 V’luk bir güç girişi gerektirir. Yani, süreci başlatmak için bir katalizör gereklidir. Katalizör, güneş fotonları ile etkileşerek kimyasal reaksiyonu başlatır. Bu alanda geliştirilmiş başarılı katalizörlerden bazıları şunlardır:
– manganez:
Manganez, bitkiler tarafından fotosentezde kullanılan bir kofaktördür. Tek bir manganez atomu, suyu arıtmak için güneş ışığını kullanan doğal süreci katalize edebilir. Manganezin sentetik bir sistemde kullanılması biyodinamik bir yaklaşımdır ve bitkilerin biyolojisini doğrudan taklit eder.
– Titanyum dioksite duyarlı kaplama:
Titanyum dioksit (TiO2) kararlı bir metal ve etkili bir katalizördür. 1990’lardan beri Graetzel hücresi olarak da bilinen boyaya duyarlı bir güneş pilinde kullanılmaktadır. Graetzel hücresinde TiO2, güneş ışığını yakalayan bir kaplama partikülleri tabakasında süspanse edilir ve ardından reaksiyonu başlatmak için TiO2’ye maruz bırakılır.
kobalt oksit:
Küçük boyutlu kobalt oksit (CoO) parçacıkları kümeleri, yapay fotosentez sistemlerinde kararlı ve yüksek verimli katalizörler olarak kullanılır. Kobalt oksit çok bol bulunan bir moleküldür ve günümüzde çok popüler ve başarılı bir endüstriyel katalizördür.
Yapay fotosentez uygulamaları
Diğer enerji üretim yöntemlerinden farklı olarak, yapay fotosentez birden fazla yakıt türü üretme yeteneğine sahiptir. Fotosentez, ışık, karbondioksit ve H2O arasındaki reaksiyonların bir sonucu olarak sıvı hidrojen üretecek şekilde ayarlanabilir. Hidrojenle çalışan motorlarda, sıvı hidrojen benzin gibi kullanılabilir. Ayrıca, fotosentezi etkili bir şekilde tersine çevirecek ve hidrojen ve oksijeni suda karıştırarak elektrik üretecek bir yakıt sistemi kurulumuna dönüştürülebilir. Hidrojen yakıt sistemleri, klimaları ve su ısıtıcılarını çalıştırmak için şebekeden elektrik sağlayabilir. Büyük ölçekli hidrojen enerjisi üretimiyle ilgili sorun, sıvı hidrojenin verimli ve temiz bir şekilde nasıl üretileceğidir. Yapay fotosentez bu soruna bir çözüm sunuyor.
Metanol başka bir olası yan üründür. Fotosentezde saf hidrojen yerine fotoelektrokimyasal bir işlemle metanol (CH3OH) üretilebilir. Metanol veya metil alkol, genellikle doğal gazdaki metandan elde edilir ve daha temiz bir yanma sağlamak için ticari benzine eklenir. Bazı bileşikler tek başına metanol ile bile çalışabilir. Sera gazları gibi zararlı yan ürünler üretmeyen temiz yakıtların elde edilebilmesi, yapay fotosentezi çevre için ideal bir enerji kaynağı haline getiriyor. Ne su ne de karbondioksit sınırlı olmadığı için sınırsız bir kaynaktır ve uzun vadede diğer enerji kaynaklarından potansiyel olarak daha ucuzdur. Aslında, bu fotoelektrokimyasal reaksiyon, yakıt üretim sürecinde büyük miktarlarda zararlı karbondioksiti azaltarak havayı temizleme fırsatı da sağlar. Bununla birlikte, yapay fotosentezin yaygın olarak kullanılmasının önünde birkaç engel vardır.
Yapay fotosentez oluşturmanın zorlukları
Enerji üretiminde verimlilik çok önemlidir. Bitkilerin verimli fotosentez geliştirmesi milyarlarca yıl sürdü. Çok fazla deneme yanılma ile sentetik bir sistemde benzer bir şey yapmak mümkündür. Bitkilerde etkili bir katalizör görevi gören manganez, suda kararsız ve çözünmez olduğu için insan yapımı bir ortamda yeterince iyi performans göstermez. Diğer bir engel, bitkilerdeki moleküler mühendislik mimarisinin olağanüstü karmaşıklığıdır. İnsan yapımı yapılar henüz bu karmaşıklık düzeyini aynı mükemmellikte kopyalayamıyor.
Kararlılık, birçok potansiyel fotosentetik sistemde bir sorundur. Organik katalizörler genellikle ayrışabilir veya sistemin çalışmasına zarar verebilecek ek reaksiyonlara yol açabilir. İnorganik metal oksit katalizörleri daha iyi sonuç verir. Ancak sistemdeki fotonlardan etkin bir şekilde yararlanabilmesi için yeterince hızlı çalışması gerekir. Böyle bir motivasyon hızına ulaşmak zorlu bir iştir. Bazı yüksek hızlı metal oksitler de bolluk açısından sorunludur.
Boyaya duyarlı sistemlerde sorun katalizör değil, bölünmüş su moleküllerinden protonları emen elektrolitti. Bu, pilin önemli bir parçasıydı, ancak sistemdeki diğer bileşenleri aşındıran uçucu solventlerle yapıldı. Araştırmacılar solvent bazlı olmayan bir çözüm geliştirdiğinde sorun çözüldü. Ek olarak, kararlı, hızlı ve bol miktarda kobalt oksit kullanan sistemler, rutenyum (Ru) ve rodyum (Rh) iyonlarından yapılmış süper parçacıklar kullanan sistemler veya hem kaynak hem de acı su ile hidrojen üretebilen galyum nitrür kullanan sistemler belirtilen çeşitli zorlukların üstesinden gelebilir. üstünde. Atlamasına izin verilir.
kaynak:
— Katharina Brinkert, “Doğal ve Yapay Fotosentezde Enerji Dönüşümü”, Springer.
– Anthony F Collings, Christa Critchi, “Yapay Fotosentez: Temel Biyolojiden Endüstriyel Uygulamaya,” Wiley-VCH.
yazar: Juni Saraoğlu’nu aç
Diğer gönderilerimize göz at
[wpcin-random-posts]