Прорив у штучному фотосинтезі для чистої хімії

Команда дослідників з Кембриджського університету та інших провідних установ щойно представила штучний листок. Цей унікальний дизайн може відтворювати фотосинтез, відкриваючи шлях для кількох варіантів використання у провідних галузях промисловості. Ось як штучне листя може призвести до більш екологічної хімічної промисловості та багато іншого.

хімічна промисловість

Виробники хімікатів відіграють вирішальну роль у сучасній економіці, забезпечуючи ключові інгредієнти для всього: від добрив, що використовуються для вирощування продуктів харчування, до ліків, пластмас і навіть косметичних засобів. Згідно з нещодавніми даними... звіти, світова хімічна промисловість – це величезний та складний ринок, оцінений у +6.324 трлн доларів США у 2025 році. Це значення продемонструвало темпи зростання на 2.3% порівняно з попереднім роком. Звичайно, все це зростання та виробництво мають свою ціну для навколишнього середовища.

Основний забруднювач

Хімічна промисловість споживає близько 10% усіх викопних видів палива та відповідає за 5-6% викидів CO2.₂ викидів у світі. Крім того, промисловість відповідає за 20% усього споживання прісної води. Звіти показують, що понад 100 мільйонів хімічних речовин було штучно створено у світі в результаті прямого хімічного виробництва.

Шкідливі хімічні речовини, такі як стійкі органічні забруднювачі (СОЗ), пер- та поліфторалкильні речовини (ПФАР) та хімічні речовини, що руйнують ендокринну функцію (ЕРХ), завдають прямої шкоди довкіллю та його мешканцям. Найгірше те, що вони залишаються в довкіллі десятиліттями та навіть можуть поєднуватися з іншими хімічними речовинами, утворюючи ще шкідливіші сполуки.

Синтетичний каталізатор

Роками інженери шукали способи вирішення цієї складної проблеми. Тому вони почали аналізувати галузь та оцінювати всі можливі способи її усунення. Одна зі стратегій зосереджена на використанні синтетичних каталізаторів або неорганічних напівпровідників.

Синтетичні каталізатори – це штучні хімічні речовини, спеціально розроблені для прискорення складних хімічних реакцій без впливу на їхні результати. Сьогодні ці хімічні речовини використовуються в усьому, від крекінгу нафти до створення пластмас. Таким чином, існує сильне прагнення замінити всі нешкідливі хімічні компоненти, такі як буфери Гуда, електронні медіатори та реагенти-жертви.

Поточні рішення

Напівштучний фотосинтез – це один із підходів, який продовжує набирати обертів у галузі. Цей метод прискорення хімічних реакцій спирається на фотоелектрохімічні біогібриди для виконання того ж завдання. Використовуючи біоінженерні ферменти, інженери змогли забезпечити складні хімічні перетворення з високою селективністю та ефективністю.

Ця стратегія зазнала кількох удосконалень, зокрема можливості виробництва світлозбиральних напівпровідників та біокаталізаторів в одному компактному пристрої. Використовуючи цей підхід, інженери можуть оптимізувати певні компоненти для покращення конкретних можливостей. Однак, все ще існує багато технологічних перешкод, які обмежують їхнє впровадження у фотоелектрохімічних (ФЕХ) застосуваннях.

Проблеми, що виникають при застосуванні цих підходів

Одна з головних проблем сучасних напівштучних пристроїв для фотосинтезу полягає в тому, що їм бракує стабільності. Ця відсутність стабільності пов'язана з тим, що їх хімічний склад швидко змінюється, а це означає, що для підтримки стабільності потрібен постійний приплив специфічних хімічних сполук, включаючи кінетично швидкі буфери, які допомагають компенсувати різницю pH. Медіатори дифузії є ще одним прикладом, оскільки вони переносять заряд від поглиначів світла до біокаталізаторів.

Промислові каталізатори є водночас дорогими та токсичними. Ці фактори ускладнюють роботу з ними, що призводить до додаткових витрат та запобіжних заходів. Крім того, ці хімічні речовини не є нешкідливими, тобто вони сприяють окисленню металів. У такому разі це може спричинити забруднення, гальмування каталізатора або отруєння всього процесу.

Дослідження штучного листя

Дослідження¹, Напівштучний лист, що поєднує органічні напівпровідники та ферменти для сонячного хімічного синтезу, опублікована в науковому журналі Joule, представляє нову конструкцію органічної фотоелектричної (ОПВ) панелі, яка може проводити прямий напівштучний фотосинтез без використання шкідливих каталізаторів.

Джерело - Джоуль

Це дає змогу зазирнути в більш зелене майбутнє, оскільки процес може підтримувати фотосинтез до 1 дня. Інженери зазначають, що вони починали з мети видалити токсичні компоненти з рівняння та замінити їх органічними елементами, здатними підтримувати чисту хімічну реакцію без створення небажаних побічних продуктів.

Формат

Їх унікальна напівштучна фотоелектрохімічна конструкція на основі органічного напівпровідника синтезує зелений H₂ або форміат з води та CO2₂ з ефективністю перетворення сонячної енергії на паливо 0.6% та фарадеївським виходом 87%. Він використовує спеціально розроблені лабораторні ферменти, відібрані завдяки їхньому сонячному H2.₂ еволюція або CO₂можливості перетворення - у формат.

Зокрема, ферменти обмінюються енергією з електродами за допомогою механізму прямого переносу електронів (DET). Ці сульфатредукуючі бактерії природним чином розділяють воду на молекули водню та кисню або перетворюють вуглекислий газ на метан.

Унікальною є те, що взаємодія між ферментами гідрогеназою або форміатдегідрогеназою та карбоангідразою може функціонувати як сонячне паливо, а цю реакцію можна використовувати для створення ключових хімічних сполук. Вивчаючи ці сполуки, інженери змогли сформулювати оптимальну конструкцію, враховуючи нанорозмірні взаємодії.

Напівштучний лист

Примітно, що результатом стала напівштучна конструкція листка, яка імітує фотосинтез без використання нешкідливих буферів, медіаторів або жертовних агентів. Примітно, що органічні напівпровідники дозволили команді досягти вищої ефективності, оскільки світлопоглинаючі полімери та бактеріальні ферменти працюють разом, усуваючи потребу в буферах або каталізаторах.

Тест на штучне листя

Інженери провели кілька тестів, щоб продемонструвати свою концепцію. Команда використовувала електрохімічну імпедансну спектроскопію (EIS) для відстеження електронних сигнатур для кожного абіотично-біотичного інтерфейсу. Ця стратегія надала цінне розуміння механізмів переносу заряду на межі поверхні, що дозволило їм удосконалити процес.

Результати випробувань штучного листя

Результати їхніх випробувань показали, що їхня конструкція штучного листка може ефективно виробляти високі струми. Зокрема, штучний листок був здатний майже ідеально перетворювати енергію під час своїх реакцій, досягаючи оптимальної фотонапруги та густини фотоструму.

Крім того, вчений зазначив, що пристрій працював цілих 24 години, вдвічі випередивши свого найближчого конкурента. Ця робота продемонструвала додаткову стабільність, яку забезпечувала напіворганічна стратегія. Зокрема, лист показав, що він може підтримувати стабільний рівень H₂₂ виробництво або селективний CO₂перетворення -у формат за потреби.

Переваги штучного листя

Ця робота приносить багато переваг галузі. По-перше, цей сталий підхід допоможе зменшити забруднення, забезпечуючи зелену альтернативу, яка є однаково ефективною та продуктивною. Крім того, система була розроблена для легкої інтеграції у встановлені промислові хімічні процеси в найближчі роки.

Стабільність

Одна з найбільших переваг цього підходу полягає в тому, що він забезпечує новий рівень стабільності для процесів штучного фотосинтезу. До цього дослідження штучний фотосинтез обмежувався максимум 12 годинами та вимагав багато догляду. Тепер вчені можуть підтримувати цілий день роботи без необхідності додавання додаткових добавок, заощаджуючи кошти, час та шкодячи навколишньому середовищу.

Нетоксичний

Усі попередні конструкції штучного листя вимагали використання небезпечних хімічних речовин. Зокрема, були потрібні токсичні поглиначі світла. Цей новий підхід забезпечує більшу стійкість, а також більшу гнучкість з точки зору свободи дизайну. Таким чином, він, ймовірно, знайде додаткові варіанти використання.

Застосування штучного листя та хронологія комерціалізації

Існує багато застосувань відкриттів, зроблених у дослідженні штучного листя. Ця технологія допоможе революціонізувати хімічний сектор, позбавивши його основних завдань від скам'янілостей. Крім того, вона дозволить компаніям створювати більш довговічні та потужні сонячні пристрої, а також удосконалювати процес виробництва ключових хімічних компонентів, що використовуються у фармацевтичній, полімерній та парфумерній промисловості.

Хронологія штучного листя

Може пройти 5-10 років, перш ніж ця технологія потрапить до громадськості. Промисловий сектор прагне знайти спосіб досягти своїх цілей щодо нульового викиду вуглецю. Таким чином, ця технологія, ймовірно, отримає сильну підтримку як з боку уряду, промислових, так і академічних кіл.

Дослідники штучного листя

Це дослідження штучного листя очолювали професор Кембриджського університету Ервін Райснер та доктор Селін Юнг. Їм допомагали Йонпен Лю, Девід М. Вахі, Ріта Р. Мануель та Інес А.К. Перейра. Дослідження фінансувалося Сінгапурським агентством з питань науки, технологій та досліджень, Королівською інженерною академією, Британською агенцією з досліджень та інновацій, Європейською дослідницькою радою та Швейцарським національним науковим фондом.

Штучне листя майбутнього

Майбутнє дослідження штучного фотосинтезу виглядає світлим. Команда, яка стоїть за цією роботою, роками вдосконалювала цю науку. У минулому вони створили кілька штучних листків, але жодне з них не досягло такої стабільності, як їхня остання розробка. Таким чином, можна очікувати, що ця команда продовжить свої дослідження, прагнучи оптимізувати кожну ітерацію, започатковуючи нову еру екологічно чистого штучного листя.

Інвестування у хімічне виробництво

Хімічний виробничий сектор – це швидкозростаюча галузь, обсяги торгівлі якої оцінюються в трильйони доларів. Сьогодні кілька хімічних виробників працюють вже десятиліттями, забезпечуючи світ ключовими складовими, необхідними для подальшого процвітання. Ось одна компанія, яка здобула репутацію завдяки якості та стабільності.

Ecolab Inc.

Компанія Ecolab Inc. була заснована в місті Сент-Пол, штат Міннесота, у 1923 році під назвою Economics Laboratory, Inc. Засновник компанії, Меррітт Дж. «М. Дж.» Осборн, хотів забезпечити зростаючу індустрію гостинності високоякісними засобами для чищення килимів. Це бажання призвело до появи першого продукту компанії – засобу для чищення килимів під назвою Absorbit.