Przełom w sztucznej fotosyntezie dla czystej chemii

Zespół naukowców z Uniwersytetu Cambridge i innych wiodących instytucji właśnie zaprezentował sztuczny liść. Ta unikalna konstrukcja może naśladować fotosyntezę, otwierając drogę do wielu zastosowań w wiodących branżach. Oto, jak sztuczne liście mogą przyczynić się do bardziej ekologicznego przemysłu chemicznego i nie tylko.

Przemysł chemiczny

Producenci chemikaliów odgrywają kluczową rolę w dzisiejszej gospodarce, dostarczając kluczowe składniki do wszystkiego – od nawozów używanych do uprawy żywności, przez leki i tworzywa sztuczne, po kosmetyki. Według najnowszych badań RaportyGlobalny przemysł chemiczny to ogromny i złożony rynek, którego wartość w 2025 roku wyniesie +6.324 biliona dolarów. Wartość ta oznacza wzrost o 2.3% w porównaniu z rokiem poprzednim. Oczywiście, cały ten wzrost i produkcja wiążą się z kosztami dla środowiska.

Główny truciciel

Przemysł chemiczny zużywa około 10% wszystkich paliw kopalnych i odpowiada za emisję 5-6% CO₂ emisji na całym świecie. Ponadto przemysł ten odpowiada za 20% całkowitego zużycia wody słodkiej. Raporty pokazują, że na całym świecie sztucznie wytworzono ponad 100 mln substancji chemicznych, będących bezpośrednim rezultatem produkcji chemicznej.

Szkodliwe substancje chemiczne, takie jak trwałe zanieczyszczenia organiczne (POP), substancje perfluoroalkilowe i polifluoroalkilowe (PFAS) oraz substancje zaburzające gospodarkę hormonalną (EDC), powodują bezpośrednie szkody dla środowiska i jego mieszkańców. Co najgorsze, pozostają one w środowisku przez dziesięciolecia, a nawet mogą łączyć się z innymi substancjami chemicznymi, tworząc jeszcze bardziej szkodliwe związki.

Katalizator syntetyczny

Inżynierowie od lat poszukują sposobów rozwiązania tego złożonego problemu. W związku z tym zaczęli analizować branżę i rozważać wszelkie możliwe sposoby jej odfosylizowania. Jedna ze strategii koncentruje się na wykorzystaniu syntetycznych katalizatorów lub nieorganicznych półprzewodników.

Katalizatory syntetyczne to syntetyczne substancje chemiczne, które zostały specjalnie zaprojektowane w celu przyspieszenia złożonych reakcji chemicznych bez zakłócania ich rezultatów. Obecnie substancje te są wykorzystywane w wielu dziedzinach, od krakingu ropy naftowej po produkcję tworzyw sztucznych. W związku z tym istnieje silny nacisk na zastąpienie wszystkich nieszkodliwych składników chemicznych, takich jak bufory Gooda, mediatory elektronowe i odczynniki ofiarne.

Aktualne rozwiązania

Półsztuczna fotosynteza to jedno z podejść, które stale zyskuje na popularności w branży. Ta metoda przyspieszania reakcji chemicznych opiera się na wykorzystaniu fotoelektrochemicznych biohybryd do realizacji tego samego zadania. Wykorzystując enzymy bioinżynieryjne, inżynierowie byli w stanie umożliwić złożone konwersje chemiczne o wysokiej selektywności i wydajności.

Strategia ta przyniosła szereg udoskonaleń, w tym możliwość wytwarzania półprzewodników zbierających światło i biokatalizatorów w jednym kompaktowym urządzeniu. Dzięki temu podejściu inżynierowie mogą optymalizować niektóre komponenty w celu zwiększenia ich możliwości. Jednak nadal istnieje wiele przeszkód technologicznych, które ograniczają możliwość ich wdrożenia w zastosowaniach fotoelektrochemicznych (PEC).

Problemy napotykane przy tych podejściach

Jednym z głównych problemów współczesnych półsztucznych urządzeń do fotosyntezy jest brak stabilności. Wynika to z szybkich zmian składu chemicznego, co oznacza, że ​​aby utrzymać stabilność, wymagany jest stały dopływ specyficznych związków chemicznych, w tym buforów kinetycznie szybkich, które pomagają kompensować różnice pH. Innym przykładem są mediatory dyfuzyjne, które przenoszą ładunek z absorberów światła do biokatalizatorów.

Katalizatory przemysłowe są zarówno drogie, jak i toksyczne. Czynniki te utrudniają pracę z nimi, generując dodatkowe koszty i środki ostrożności. Co więcej, te substancje chemiczne nie są szkodliwe, co oznacza, że ​​przyczyniają się do utleniania metali. W takim przypadku może to spowodować zanieczyszczenie, zahamowanie działania katalizatora lub zatrucie całego procesu.

Studium sztucznych liści

Badania¹, Półsztuczny liść, łączący organiczne półprzewodniki i enzymy do syntezy chemicznej w środowisku słonecznym, opublikowane w czasopiśmie naukowym Joule, przedstawia nowatorską konstrukcję organicznych ogniw fotowoltaicznych (OPV), które mogą przeprowadzać bezpośrednią, półsztuczną fotosyntezę bez stosowania szkodliwych katalizatorów.

Źródło - Dżul

Daje to wgląd w bardziej zieloną przyszłość, ponieważ proces ten może podtrzymywać fotosyntezę nawet przez 1 dzień. Inżynierowie podkreślają, że ich celem było usunięcie toksycznych składników z równania i zastąpienie ich pierwiastkami organicznymi, które mogą podtrzymywać czystą reakcję chemiczną bez wytwarzania niepożądanych produktów ubocznych.

Mrówny

Ich unikalna, półsztuczna, oparta na organicznym półprzewodniku konstrukcja fotoelektrochemiczna syntetyzuje zielony H₂ lub mrówczan z wody i CO2₂ ze sprawnością słoneczną na paliwo wynoszącą 0.6% i wydajnością faradaicką wynoszącą 87%. Wykorzystuje specjalnie wyhodowane w laboratorium enzymy, które zostały wyselekcjonowane ze względu na ich zdolność do napędzania energią słoneczną wodorem.₂ ewolucja lub CO₂-możliwość konwersji do formatu.

Dokładniej, enzymy przekazują energię elektrodom poprzez mechanizm bezpośredniego transferu elektronów (DET). Te bakterie redukujące siarczany naturalnie rozdzielają wodę na cząsteczki wodoru i tlenu lub przekształcają dwutlenek węgla w metan.

Co wyjątkowe, interakcje między enzymami hydrogenazą lub dehydrogenazą mrówczanową a anhydrazą węglanową mogą działać jak paliwo słoneczne, a reakcja ta może być wykorzystana do tworzenia kluczowych związków chemicznych. Badając te związki, inżynierowie byli w stanie opracować optymalną konstrukcję, uwzględniającą interakcje w skali nano.

Półsztuczny liść

Co godne uwagi, rezultatem był półsztuczny projekt liścia, który naśladuje fotosyntezę bez użycia nieszkodliwych buforów, mediatorów ani czynników ofiarnych. Co istotne, organiczne półprzewodniki pozwoliły zespołowi osiągnąć wyższą wydajność, ponieważ polimery absorbujące światło i enzymy bakteryjne współpracują ze sobą, eliminując potrzebę stosowania buforów lub katalizatorów.

Test sztucznych liści

Inżynierowie przeprowadzili szereg testów, aby zademonstrować swoją koncepcję. Zespół wykorzystał elektrochemiczną spektroskopię impedancyjną (EIS) do śledzenia sygnatur elektronicznych dla każdego interfejsu abiotycznego i biotycznego. Strategia ta dostarczyła cennych informacji na temat mechanizmów transferu ładunku na interfejsie, umożliwiając im udoskonalenie procesu.

Wyniki testów sztucznych liści

Wyniki ich testów wykazały, że ich sztuczny liść był w stanie wydajnie generować wysokie prądy. Dokładniej mówiąc, sztuczny liść był zdolny do niemal doskonałej konwersji energii podczas reakcji, osiągając optymalne napięcie fotowoltaiczne i gęstość fotoprądu.

Ponadto, naukowiec zauważył, że urządzenie działało przez pełne 24 godziny, dwukrotnie przewyższając swojego najbliższego konkurenta. Praca ta wykazała dodatkową stabilność, jaką zapewniała strategia półorganiczna. W szczególności, liść wykazał, że był w stanie utrzymać stabilny poziom H₂ produkcja lub selektywny CO₂-konwersję do formatu, jeśli jest to potrzebne.

Korzyści ze sztucznych liści

Praca ta przynosi branży wiele korzyści. Po pierwsze, to zrównoważone podejście pomoże zmniejszyć zanieczyszczenie środowiska, zapewniając ekologiczną alternatywę, która jest równie wydajna i produktywna. Ponadto system został zaprojektowany z myślą o łatwej integracji z istniejącymi procesami chemicznymi w przemyśle w nadchodzących latach.

Stabilność

Jedną z największych zalet tego podejścia jest zapewnienie nowego poziomu stabilności procesów sztucznej fotosyntezy. Przed przeprowadzeniem tych badań, sztuczna fotosynteza była ograniczona do maksymalnie 12 godzin i wymagała wielu zabiegów konserwacyjnych. Teraz naukowcy mogą utrzymać cały dzień pracy bez konieczności dodawania dodatkowych substancji, oszczędzając koszty, czas i środowisko.

Atoksyczny

Wszystkie dotychczasowe projekty sztucznych liści wymagały użycia niebezpiecznych chemikaliów. W szczególności wymagały one toksycznych absorberów światła. To nowe podejście zapewnia większą zrównoważoność i elastyczność w zakresie swobody projektowania. W związku z tym prawdopodobnie znajdzie zastosowanie w większej liczbie zastosowań.

Zastosowania i harmonogram komercjalizacji sztucznych liści

Odkrycia dokonane w ramach badania nad sztucznymi liśćmi mają wiele zastosowań. Technologia ta pomoże zrewolucjonizować sektor chemiczny poprzez eliminację fosylizacji jego podstawowych zadań. Ponadto umożliwi firmom produkcję trwalszych i wydajniejszych urządzeń solarnych, a także usprawni proces produkcji kluczowych komponentów chemicznych wykorzystywanych w przemyśle farmaceutycznym, polimerowym i perfumeryjnym.

Oś czasu sztucznych liści

Może minąć 5–10 lat, zanim ta technologia trafi do powszechnego użytku. Sektor przemysłowy z niecierpliwością czeka na znalezienie sposobu na osiągnięcie celu zerowej emisji dwutlenku węgla netto. W związku z tym technologia ta prawdopodobnie spotka się z silnym wsparciem zarówno ze strony rządu, przemysłu, jak i środowiska akademickiego.

Sztuczne liście – badacze

Badanie nad sztucznymi liśćmi zostało przeprowadzone przez profesora Erwina Reisnera z Uniwersytetu Cambridge i dr Celine Yeung. Udzielili im pomocy Yongpeng Liu, Davida M. Vaheya, Rity R. Manuel i Inês AC Pereiry. Badanie zostało sfinansowane przez Singapurską Agencję ds. Nauki, Technologii i Badań Naukowych, Królewską Akademię Inżynierii, Brytyjskie Centrum Badań i Innowacji, Europejską Radę ds. Badań Naukowych oraz Szwajcarską Narodową Fundację Nauki.

Sztuczne liście Future

Przyszłość badań nad sztuczną fotosyntezą rysuje się w jasnych barwach. Zespół prowadzący badania poświęcił lata na doskonalenie tej wiedzy. W przeszłości stworzyli kilka sztucznych liści, ale żaden z nich nie charakteryzował się stabilnością, jaką oferuje ich najnowsze osiągnięcie. W związku z tym można się spodziewać, że zespół będzie kontynuował badania, dążąc do optymalizacji każdej iteracji, zapoczątkowując nową erę ekologicznych sztucznych liści.

Inwestowanie w produkcję chemiczną

Sektor produkcji chemicznej to dynamicznie rozwijająca się branża, generująca biliony dolarów w handlu. Obecnie wielu producentów chemikaliów działa od dziesięcioleci, dostarczając światu kluczowe elementy niezbędne do dalszego rozwoju. Oto jedna firma, która zbudowała reputację dzięki jakości i stabilności.

Ecolab Inc.

Firma Ecolab Inc. została założona w Saint Paul w stanie Minnesota w 1923 roku jako Economics Laboratory, Inc. Założyciel firmy, Merritt J. „MJ” Osborn, pragnął dostarczać rozwijającej się branży hotelarskiej wysokiej jakości rozwiązania do czyszczenia dywanów. To pragnienie doprowadziło do powstania pierwszego produktu firmy – środka do czyszczenia dywanów o nazwie Absorbit.