2023 Avtor: Sophia Otis | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-05-21 01:53
Poceni vodik za avtomobilsko ali reaktivno gorivo je morda mogoč s posnemanjem fotosinteze, pravi kemik za materiale Penn State, vendar je treba najprej rešiti številne težave.
"Osredotočeni smo na najtežji način izdelave goriva," je dejal Thomas Mallouk, profesor kemije in fizike materialov Evana Pugha. "Ustvarjamo umetni sistem, ki posnema fotosintezo, vendar bo praktičen le, če bo tako poceni kot bencin ali gorivo za reaktivne motorje."
Razdelitev vode na vodik in kisik se lahko izvede na različne načine, vendar je večina energetsko intenzivnih. Nastali vodik, ki ga je mogoče uporabiti za gorivo vozil ali pretvoriti v različne ogljikovodike, neizogibno stane več kot obstoječa fosilna goriva.
Medtem ko so nekateri raziskovalci uporabljali sončne celice za proizvodnjo električne energije ali uporabo koncentrirane sončne toplote za razdelitev vode, Malloukov proces neposredno uporablja energijo modre svetlobe. Zaenkrat je veliko manj učinkovita od drugih tehnologij pretvorbe sončne energije.
Ključ za neposredno pretvorbo so elektroni. Tako kot barvila, ki se naravno pojavljajo v rastlinah, tudi anorganska barvila absorbirajo sončno svetlobo in energija izžene elektron. Če bi elektroni ostali sami, bi rekombinirali in ustvarili toploto, toda če je mogoče elektrone usmeriti - od molekule do molekule - dovolj daleč od mesta, kjer izvirajo, lahko elektroni dosežejo katalizator in razdelijo vodik iz kisika v vodi.
"Trenutno dobimo le 2 do 3-odstotni donos vodika," je Mallouk povedal udeležencem 19. februarja na letnem srečanju Ameriškega združenja za napredek znanosti. "Da bi bili takšni sistemi uporabni, se bomo morali približati 100 odstotkom," je dodal.
Toda rekombinacija elektronov ni edina težava v procesu. Konec sistema, ki razvija kisik, je krogla za kemično uničenje, kar pomeni, da je življenjska doba sistema trenutno omejena na nekaj ur.
"Kiskova stran celice tvori močno oksidacijsko sredstvo in molekule v bližini se lahko oksidirajo," je dejal Mallouk. "Naravna fotosinteza ima enak problem, vendar ima mehanizem za samopopravilo, ki občasno nadomesti kompleks, ki se razvija s kisikom, in beljakovinske molekule okoli njega."
Zaenkrat raziskovalci nimajo rešitve za oksidacijo, zato se njihovi katalizatorji in druge molekule, uporabljene v strukturi celic, sčasoma razgradijo, kar omejuje življenjsko dobo sončne gorivne celice.
Trenutno raziskovalci uporabljajo samo modro svetlobo, vendar bi radi uporabili celoten vidni spekter sonca. Uporabljajo tudi drage komponente - elektrodo iz titanovega oksida, platinasto temno elektrodo in katalizator iz iridijevega oksida. Za te so potrebne zamenjave, drugi raziskovalci pa delajo na rešitvah. Skupina Massachusetts Institute of Technology raziskuje katalizatorje kob alta in niklja, na univerzah Yale in Princeton pa raziskuje mangan.
"Kob alt in nikelj ne delujeta tako dobro kot iridij, vendar nista slaba," je dejal Mallouk. "Delo s kob altom se širi tudi na druge institucije."
Medtem ko zasnovana struktura gorivne celice usmerja veliko elektronov v katalizator, jih večina še vedno rekombinira in predaja svojo energijo toploti in ne prekinitvi kemičnih vezi. Manganovi katalizatorji v fotosistemu II - sistemu fotosinteze, s katerim rastline, alge in fotosintetske bakterije razvijajo kisik - so prav tako počasni kot naši, je dejal Mallouk. Fotosistem II deluje učinkovito z uporabo molekule elektronskega posrednika, da zagotovi, da je za molekulo barvila vedno na voljo elektron, ko ta prepusti trenutni elektron naslednji molekuli v verigi.
"Na enak način bi lahko upočasnili večjo rekombinacijo v umetnem sistemu," je dejal Mallouk. "Prenos elektronov iz mediatorja v barvilo bi učinkovito presegel reakcijo rekombinacije."
Trenutno sistem uporablja samo en foton naenkrat, vendar bi bil dvofotonski sistem, čeprav je bolj zapleten, učinkovitejši pri uporabi celotnega spektra sončne svetlobe.
Malloukov glavni cilj je zdaj slediti vsem energetskim potem v njegovi celici, da bi razumel kinetiko. Ko to ve, lahko modelira celice in prilagaja dele, da zmanjša izgubo energije in poveča učinkovitost.
