Artefarita fotosintezo

Artefarita fotosintezo estas kemia procezo de biomimetiko, kiu imitas la naturan procezon de fotosintezo por transformi sunbrilon, akvon kaj karbonan dioksidon en karbonhidratoj kaj oksigeno. La termino artefarita fotosintezo estas ofte uzata referi al ajna plano por kapti kaj konservi la energion de sunlumo en la kemiaj ligoj de fuelo (suna karburaĵo). Fotokataliza akvofendado transformas akvon en hidrogenon kaj oksigenon kaj estas grava esplora temo de artefarita fotosintezo. Lumregata reduktado de karbona dioksido estas alia procezo studata, kiu kopias naturan karbonfiksiĝon.

Esploro de ĉi tiu temo inkluzivas la desegnon kaj fabrikon de aparatoj por la rekta produktado de sunaj karburaĵoj, fotoelektrokemio kaj ties apliko en brulaĵpiloj kaj por krei enzimojn kaj fotoaŭtotrofajn mikroorganismojn por mikroba biobruligaĵo kaj biohidrogenon el sunlumo.

Resumo

La fotosinteza reakcio estas dividebla en du duonreagoj de oksidado kaj redukto, de kiuj ambaŭ estas nepraj por produkti brulaĵon. En planta fotosintezo, akvaj molekuloj estas foto-oksidigataj por liberigi oksigenon kaj protonojn. La dua fazo de planta fotosintezo (ankaŭ nomita la Calvin-Benson-ciklo) estas lumsendependa reakcio kiu transformas karbonan dioksidon en glukozon (fuelon). Esploristoj de artefarita fotosintezo evoluigas fotokatalizilojn kiuj kapablas katalizi ĉi tiujn reakciojn. Cetere, la protonoj rezultantaj de la akvofendado estas uzeblaj por produkti hidrogenon. Ĉi tiuj kataliziloj devas esti kapablaj reakcii rapide kaj sorbi grandan procenton de la ricevitaj sunaj fotonoj.

Natura (maldekstre) kontraŭ artefarita fotosintezo (dekstre)

Dum fotovoltaiko povas provizi energion rekte de sunlumo, la malefikeco de brulaĵa produktado de lumelektra elektro (nerekta procezo) kaj la fakto ke sunlumo ne estas konstanta tra la tago fiksas limon al ties uzo. Unu metodo uzi naturan fotosintezon estas por la produktado de biobruligaĵo, kiu estas nerekta procezo kiu suferas de malalta energia konvertiĝa efikeco (pro la propra malalta efikeco de fotosintezo transformi sunlumon al biomaso), la kosto rikolti kaj transporti la brulaĵon kaj konfliktoj pro la kreskanta bezono por kampoj por produkti manĝaĵojn. La celo de artefarita fotosintezo estas produkti brulaĵon el sunbrilo kiu povas konserviĝi konvene kaj uziĝi kiam sunlumo ne estas havebla, uzante rektajn procezojn, tio estas, por produkti sunan brulaĵaon. Kun la evoluado de kataliziloj kapablaj reprodukti la gravajn partojn de fotosintezo, akvo kaj sunlumo fine estus la solaj bezonataj fontoj por produkti puran energion. La sola kromprodukto estus oksigeno kaj produktado de suna brulaĵo havas la potencialon esti pli malmultekosta ol benzino.

Unu procezo por krei puran kaj malaltekostan energian provizon estas la evoluado de fotokataliza akvofendado sub suna lumo. Ĉi tiu metodo de daŭrigebla hidrogena produktado estas grava celo por la evoluado de alternativaj energiaj sistemoj. Oni ankaŭ antaŭvidas ke ĝi estos unu el la pli, se ne la plej, efikaj metodoj akiri hidrogenon el akvo. La konvertiĝo de suna energio al hidrogeno per akvofenda procezo helpata de fotoduonkonduktaj kataliziloj estas unu el la plej promesplenaj teknologioj evoluataj. Ĉi tiu procezo havas la potencialan por grandaj kvantoj de hidrogeno produktata en ekologie prudenta maniero. [Citaĵo bezonata] La konvertiĝo de suna energio al pura brulaĵo (H2) sub ĉirkaŭaj kondiĉoj estas unu el la plej grandaj defioj alfrontantaj sciencistojn en la dudek-unua jarcento.

Oni ĝenerale agnoskas du metodojn rekonita por konstrui sunajn fuelĉelojn por hidrogena produktado:

• Homogena sistemo estas tiu, en kiu kataliziloj ne estas dispartigitaj, tio estas, la eroj ĉeestas en la sama fako. Tio ĉi signifas ke hidrogeno kaj oksigeno estas produktataj en la sama loko. Tio ĉi povas esti malavantaĝo, pro tio ke ili kunmetas eksplodan miksaĵon, postulanta apartigon de la gasaj produktoj. Ankaŭ, ĉiuj eroj devas esti aktivaj en proksimume la samaj kondiĉoj (ekz., pH).
• Heterogena sistemo havas du apartajn elektrodojn, anodon kaj katodon, ebligante la apartigon de oksigeno kaj hidrogeno. Cetere, malsamaj eroj ne nepre devas funkcii en la samaj kondiĉoj. Tamen, la pliigita komplekseco de ĉi tiuj sistemoj igas ilin pli malfacile evoluigeblaj kaj pli altekostaj.

Alia kampo de esplorado ene de artefarita fotosintezo estas la elekto kaj manipulado de fotosintezaj mikroorganismoj, nome verdaj mikroalgoj kaj cianobakterioj, por la produktado de sunaj brulaĵoj. Multaj variaĵoj kapablas produkti hidrogenon nature, kaj sciencistoj laboras por plibonigi ilin. Algaj biobrulaĵoj, kiel butanolo kaj metanolo, estas produktataj aŭ je laboratoria kaj je komerca skaloj. Ĉi tiu metodo profitis de la evoluado de sinteza biologio, kiun esploradas la Instituto J. Craig Venter por produkti sintezan organismon kapabla produkti biobrulaĵon. En 2017, efika procezo estis evoluigita produkti acetatan acidon el karbona dioksido uzante "kiborgajn bakteriojn".

Historio

Artefaritan fotosintezon unue anticipis la itala kemiisto Giacomo Ciamician en 1912. En lekcio poste eldonita li proponis ŝanĝon de la uzo de fosiliaj karburaĵoj al radianta energio provizita de la suno kaj kaptita de teknika fotokemiaj aparatoj. En ĉi tiu ŝanĝo li vidis eblecon malpliigi la diferencon inter la riĉa nordo de Eŭropo kaj la malriĉa sudo kaj kuraĝis konjekti, ke ĉi tiu ŝano de karbo al suna energio "ne estus danĝera al la progreso kaj al homa feliĉo."

Dum la lastaj 1960aj jaroj, Akira Fujishima eltrovis la fotokatalizajn proprecojn de titana dioksido, la tiel nomitan Honda-Fujishima efikon, kiu uzeblas por hidrolizo.

Videbla luma fendanta per unupeca plurjunkcia duonkonduktilo (kontraŭ ultraviola lumo kun titana dioksido duonkonduktiloj) unue demontris kaj patentis William Ayers ĉe Energia Konvertaj Aparatoj dum 1983. Ĉi tiu grupo montris akvan fotolizon en hidrogenon kaj oksigenon, nun nomita "artefarita folio" je malalte kosta, maldika filma amorfa silicio plurjunkcia folio mergita rekte en akvo. Hidrogeno eliĝis ĉe la antaŭa amorfa silicia surfaco ornamita per diversaj kataliziloj dum oksigeno eliĝis de la malantaŭa flanka metala subtavolo, kiu ankaŭ eliminis la danĝeron de miksata hidrogena/oksigeno gasa eliĝo. Polimera membrano super la mergita aparato provizis vojon por proton-transportado. La pli alta fototensio havebla de la plurjukcia maldika filma aparato kun videbla lumo estis grava antaŭenigo super la antaŭa fotolizo kun ultraviolaj aŭ aliaj unujunkciaj duonkonduktaj fotoelektrodoj. La patento de la grupo ankaŭ listigis plurajn aliajn duonkonduktajn plurjunkciajn kunmetaĵojn krom amorfa silicio.

La sveda Konsorcio por Artefarita Fotosintezo, la unua tia organizo, establiĝis en 1994 kiel kunlaboro inter grupoj el tri universitatoj, Lund, Uppsala kaj Stokholmo. La konsorcio estis konstruita kun plurfaka aliro por celi lerni de natura fotosintezo kaj apliki ĉi tiun scion en biomimetaj sistemoj.

Esploro pri artefarita fotosintezo pliiĝas en la 21a jarcento. Dum 2000, esploristoj en la <b>Komuneja Organizo por</b> Scienca kaj Industria Esploro (CSIRO) diskonigis sian intencon emfazi kolekton de karbona dioksido kaj ties konvertiĝo al hidrokarbonoj. En 2003, la Nacia Laboratorio Brookhaven anoncis la eltrovon de grava intermeza parto de la redukto de CO2 al CO (la plej simpla redukta reakcio de karbona dioksido), kiu povus rezulti en pli bonaj kataliziloj.

Unu el la malavantaĝoj de artefaritaj sistemoj por akvo-fendantaj katalizilojn estas ilia ĝenerala dependeco sur malabundaj, altekostaj elementoj, kiel rutenio aŭ renio. Dum 2008, kun la financado de la Oficejo de la Usona Aerarmeo por Scienca Esploro, MIT-kemiisto kaj direktoro de la Suna Revolucia Projekto Daniel G. Nocera kaj postdoktoriĝa fratulo Matthew Kanan provis eviti ĉi tiun problemon, uzante katalizilon kiu enhavas la malpli multekostan kaj pli abundajn elementojn kobalton kaj fosforon. La katalizilo fendis akvon en oksigenon kaj protonojn uzante sunlumon, kaj eble povos esti kuplita kun hidrogen-produktanta katalizilo kiel plateno. Plue, kvankam la katalizilo rompiĝis dum katalizado, ĝi povis riparo sin. Multaj esplristoj konsideras ĉi tiun eksperimentan katalizilan aranĝon grava plibonigo.

Dum CO estas la ĉefa redukta produkto de CO2, pli kompleksaj karbonaj kombinaĵoj estas kutime deziritaj. Dum 2008, Andrew B. Bocarsly raportis la rektan konvertiĝon de karbona dioksido kaj akvo al methanol uzante sunan energion en tre efika fotokemia ĉelo.

Dum Nocera kaj kunlaborantoj atingis akvofendadon al oksigeno kaj protonoj, oni serĉas lumregatan procezon produkti hidrogenon. En 2009, la Instituto Leibniz por Katalizado raportis ke malaltekostaj feraj karbonilaj kompleksoj kapablas fari tion. En la sama jaro, esploristoj ĉe la Universitato de Orienta Anglio ankaŭ uzis ferajn karbonilajn kombinaĵojn por produkti fotoelektrokemian hidrogena je 60% efikeco, uzante oran elektrodon kovritan per tavoloj de india fosfidon al kiu la feraj kompleksoj estis ligitaj. Ambaŭ ĉi tiuj procezoj uzis molekulan aliron, kie nanopartikloj kaŭzas la katalizon.

En 2009, F. Del Valle kaj K. Domen montris la efikon de la termika traktado en ferma atmosfero uzante Cd1-xZnxS fotokatalizilojn. Cd1-xZnxS solida solvaĵo atingas altan aktivecon en hidrogena produktado el akvofendado sub sunlumo. Miksita heterogena/molekula aliro de esploristoj ĉe la Universitato de Kalifornio, Santa Cruz, en 2010, uzante kaj nitrogeno-dotitan kaj kadmiajn selenidon kvantumajn punktojn-sentivigitan titanan dioksidon nanopartiklojn kaj nanodratojn, ankaŭ liveris fotoproduktitan hidrogenon.

En 2009, oni raportis ke la kompanio MitsubishiChemical Holdings (Kemiaj Akciaroj) evoluigas la propran esploron pri artefarita fotosintezo uzante sunlumon, akvon kaj karbonan dioksidon "krei la karbonajn konstrublokojn de kiu sintezi rezinojn, plastojn kaj fibrojn." La Instituto KAITEKI celas, redukti karbonan dioksidon per artefarita fotosintezo.

En 2010, la Usona Departemento de Energio establis, la Komunan Centron por Artefarita Fotosintezo. Ĝia celo estas trovi kostefikan metodon produkti brulaĵojn per sunlumo, akvo kaj karbona-dioksido.  JCAP estas administrata de teamo de la Kalifornia Instituto de Teknologio (Caltech), direktita de Profesoro Nathan Lewis kaj kunvenigas pli ol 120 sciencistoj kaj inĝenieroj de Caltech kaj ties ĉefa partnero, Laŭrenco Berkeley Nacia Laboratorio. JCAP ankaŭ utiligas la kapablojn de Universitato Stanford, la Universitato de Kalifornio ĉe Berkeley, UCSB, Universitato de Kalifornio, Irvine kaj Universitato de Kalifornio ĉe San Diego kaj la Stanford Linia Akcelilo.  Cetere, JCAP servas kiel centro por esplorado pri sunaj brulaĵoj.

En 2011, Daniel Nocera kaj lia esplora teamo anoncis la kreon de la unua praktika artefarita folio. Nocera priskribis altnivelan sunan ĉelon kiu kapablas fendi akvon en oksigeno kaj hidrogeno, proksimume dek fojoj pli efike ol natura fotosinthezo. La ĉelo estas plejparte farita per malaltekostaj materialoj kiu estas ĝenerale haveblaj, funkcias sub simplaj kondiĉoj kaj estas pli stabilaj ol antaŭaj kataliziloj: en laboratoriaj studoj, la artefarita folio, la prototipo, povis funkcii kontinue por almenaŭ kvardek kvin horoj sen falo en aktiveco. En majo 2012, la nova kompanio Suno Catalytix, bazita sur la esploro de Nocera, deklaris, ke ĝi ne pligrandigos la prototipon ĉar la aparato ne estas pli efika ol aliaj metodoj fari hidrogenon de sunbrilo.

Eminentaj fakuloj en la kampo subtenis proponon por Tutmonda Projekto pri Artefarita Fotosintezo kiel solvo de energia sekureco kaj klimata ŝanĝiĝo. Konferencoj pri ĉi tiu temo okazis ĉe Insulo Lord Howe en 2011, ĉe Halo Chicheley en Britio en 2014 kaj ĉe Kanbero kaj Insulo Lord Howe en 2016.

Aktuala esplorado

Laŭ energio, natura photosynthesis povas esti priskribita en tri paŝoj:

• Luma-rikoltantaj kompleksoj en bakterioj kaj fabrikeja kaptas fotonojn kaj transduktas ilin en elektronojn, injektante ilin en la fotosintezan ĉenon.
• Proton-kuplita elektrona translokigo laŭ pluraj kofaktoroj de la fotosinteza ĉeno, kaŭzanta lokan, spacan ŝargoapartigon.
• Redoksa katalizo, kiu uzas la menciitajn translokigitajn elektronojn por oksidigi akvon al dioksigenon kaj protonojn; ĉi tiuj protonoj, en kelkaj specioj, esti utiligeblaj por produkti dihydrogenon.

Triopa kunmeto, kun fotosensivigilo (P) ligita tandeme al akvo-oksidiga katalizilo (D) kaj hidrogen-eliga katalizilo (A). Elektronoj fluas de D al A kiam katalizado okazas.

Uzante biomimetaj metodoj, artefarita photosynthesis provas konstrui sistemojn faranta la saman tipon de procezoj. Ideale, triopa sistemo povos oksxidigi akvon per unu katalizilo, redukti protonojn per alia kaj havos fotosensivigan molekulon por potencizi la tutan sistemon. Unu el la plej simplaj skemoj estas kie la fotosensivigilo estas ligita tandeme inter akvo-oksidiga katalizilo kaj hidrogeneliga katalizilo:

• La photosensitizer transigas elektronojn al la hidrogena katalizilo kiam frapita de lumo, oksidiĝas en la procezo.
• Tio ĉi regas la akvofendantan katalizilon por doni elektronojn al la photosensitizer. En triopa kunmeto, tia katalizilo estas ofte nomita donanto. La oksidigita donanto kapablas elfari akvooksidigon.

La stato de la triopo kun unu katalizilo oksidigita ĉe unu ekstremo kaj la dua reduktita ĉe la alia fino nomiĝas ŝargapartigo, kaj pelas pluan elektronan transigon kaj sekve katalizado. La diversaj komponantoj esti kunmetebla en diversaj manieroj, ekzemple supramolekulaj kompleksoj, compartmentalized ĉeloj aŭ lineare, kovalente ligitaj molekuloj.

Esploro por trovi katalizilojn kiuj povas transformi akvon, karbonan dioksidon kaj sunbrilon al karbonhidratoj aŭ hidrogeno estas aktuala, aktiva kampo. Studante la naturan oksigeno-eligan komplekson (OEC), esploristoj evoluigis katalizilojn kiel la "blua dimero" por imiti ties funkcion. Photoelectrochemical ĉeloj kiu reduktas karbonan dioksidon en karbonan monoksidon (CO), formiatan acidon (HCOOH) kaj metanolon (CH3OH) evoluataj. Tamen, ĉi tiuj kataliziloj estas ankoraŭ tre neefikaj.

Hidrogenaj kataliziloj

Hidrogeno estas la plej simpla suna karburaĵo sintezi, pro tio ke ĝi bezonas nur la transigon de du elektronoj al du protonoj. Ĝi devas, tamen, esti farita laŭpaŝe, kun formado de intermeza hidrida anjono:

2 e− + ₂ H⁺ ⇌ H+ + H− ⇌ H2

La protono-al-hidrogeno transformantaj kataliziloj en la naturo estas hidrogenazoj. Ĉi tiuj estas enzimoj kiuj povas aŭ redukti protonojn al molekula hidrogeno aŭ oksidigi hidrogenon al protonoj kaj elektronoj. Spektroskopaj kaj kristalografiaj studoj tra pluraj jardekoj rezultis en bona kompreno de kaj la strukturo kaj la mekanismo de hidrogenaza katalizo. Uzante ĉi tiun informon, oni sintezis plurajn molekulojn kiuj imitas la strukturon de la aktiva loko de kaj nikelo-fera kaj fero-fera hidrogenazoj. Aliaj kataliziloj ne estas strukturaj imitaĵoj de hidrogenazo sed praktikaj. Sintezitaj kataliziloj inkluzivas strukturaj H-faskaj modeloj, dirodia fotokatalizilo kaj kobaltaj kataliziloj.

Akvo-oksidigaj kataliziloj

Akvo-oksidigo estas pli kompleksa kemia reakcio ol proton-redukto. En naturo, la oksigeno-eliga komplekso elfaras reakcias amasigante reduktantajn ekvivalentajn (elektronojn) en mangano-kalcia fasko ene de fotosistemo II (PS II), tiam liverante ilin al akvomolekuloj, kun la rezulta produktado de molekula oksigeno kaj protonoj:

2H2O → O2 + 4 H⁺ + 4e−

Sen katalizilo (natura aŭ artefarita), ĉi tiu reakcio estas tre endoterma, bezonanta altajn temperaturojn (almenaŭ 2500 K).

La ĝusta strukturo de la oksigeno-eliga komplekso estis malfacile determinebla eksperimente. Ĝis 2011, la plej detala modelo estis de 1.9 Å rezolucia kristala strukturo de fotosistemo II. La komplekso estas fasko enhavanta kvar manganajn kaj unu kalciajn jonojn, sed la ekzakta loko kaj mekanismo de akvo-oksidado ene de la fasko estas nekonata. Tamen, bio-inspirataj manganaj kaj mangano-kalciaj kompleksoj estis sintezitaj, ekzemple [Mn4O4] kuban-tipaj faskoj, kelkaj kun kataliza aktiveco.

Kelkaj kompleksoj de rutenio, kiel la dinuklea µ-okso-transpontita "blua dimero" (la unua tia esti sintezita), kapablas katalizi luma-regatan akvo-oksidigon, danke al ilia kapablo formi altvalentajn statojn. En ĉi tiu okazo, la rutenia komplekso agas kiel fotosensivigilo kaj katalizilo.

Oni eltrovis ke multaj metalaj oksidoj havas akvo-oksidigan katalizan aktivecon, inkluzive rutenian(IV) oksidon (RuO2), iridia(IV) oksido (IrO2), kobaltaj oksidoj (inkluzive al nikelo-dotita Co3O4), mangana oksido (inkluzive al tavolita MnO2 (birnessite), Mn2O3) kaj miksaĵo de Mn2O3 kun CaMn2O4. Oksidoj estas pli facile akireblaj ol molekulaj kataliziloj, precipe tiuj de relative abundaj transiraj metaloj (kobalto kaj mangano), sed suferas de malalta transforma nombro kaj malrapida elektrontransigo kaj ilia mekanismo de ago estas malfacile deĉifrebla kaj, tial, ŝanĝi.

Oni montris ke materioj bazitaj sur Metalo-Organika Kadro estas tre promesplena kandidato por akvo-oksidigga kun unuvicaj transiraj metaloj. La stabileco kaj adapteblo de ĉi tiu sistemo estas projektita esti tre utila por estonta evoluado.

Lumsensivigiloj

Strukturo de [Ru(bipy)3]2+, ĝenerale uzata lumsensivigilo.

La Naturo uzas pigmentojn, plejparte klorofilojn, por sorbi larĝan parton de la videbla spektro. Artefaritaj sistemoj povas uzi aŭ unu tipon de pigmento kun larĝa sorba gamo aŭ kombini plurajn pigmentojn por la sama celo.

Ruteniaj polipiridinaj kompleksoj, precipe tris(bipiridina)rutenio(II) kaj ties derivaĵoj, estis amplekse uzitaj por produkti hidrogenon pro ilia efika videbla lumsorbo kaj longdaŭra sekva metalo-al-liganda ŝargtransira ekcita stato, kiu igas la kompleksojn fortaj reduktantaj agentojn. Aliaj kompleksoj kiuj enhavas noblajn metalojn, inkluzivas tiujn kun plateno, rodio kaj iridio.

Senmetalaj organikaj kompleksoj ankaŭ estis sukcese utiligitaj kiel lumsensivigiloj. Ekzemploj inkluzivas eozino Y kaj rozo bengala. Pirolaj ringoj, ekzemple porfirinoj, ankaŭ estis uzitaj en tegaj nanomaterioj aŭ duonkonduktiloj por homogenaj kaj heterogenaj kataliziloj.

Kiel parto de aktualaj (2021) esploroj, artefaritaj fotonaj antenaj sistemoj estas studataj por serĉi efikajn kaj daŭrigeblajn metodojn kolekti lumon por artefarita fotosintezo. Gion Calzaferri (2009) priskribis unu tian antenon kiu uzas zeoliton L kiel gastiganton por organikaj tinkturoj, por imiti la lumkolektantajn sistemojn de plantoj. La anteno estas fabrikita enmetante tinkturajn molekulojn en la kanaloj de zeolite L. La enmta procezo, kiu okazas sub vakuo kaj ĉe altaj temperaturoj, estas ebligita de la kunlabora vibra moviĝo de la zeolita kadro kaj de la tinkturaj molekuloj. La rezultinta materialo povas esti miksita kun ekstera aparato tra krano.

Kataliziloj por redukti karbonan dioksidon

En la naturo, karbona fiksiĝo estas farata de verdaj plantoj uzante la enzimon RuBisCO kiel parto de la Calvin-ciklo. RuBisCO estas sufiĉe malrapida katalizilo kompare al la vasta plimulto de aliaj enzimoj, enkorpigante nur kelkajn molekulojn de karbona dioksido en ribulozo-1,5-bisfosfato en unu minuto, sed tiel faras ĉe atmosfera premo kaj en mildaj, biologiaj kondiĉoj. La rezultinta produkto estas plue reduktita kaj poste uzita en la sintezo de glukozo, kiu siavice estas antaŭprodukto antaŭ pli kompleksaj karbonhidratoj, kiel celulozo kaj amelo. La procezo konsumas energion en la formo de ATP kaj NADPH.

Artefarita CO2-redukto por produkti brulaĵojn celas plejparte produkti reduktitajn karbonajn kombinaĵojn el atmosfera CO2. Iuj transir-metalaj polyfosfinaj kompleksoj estis evoluigitaj tiucele; tamen, ili kutime bezonas antaŭan koncentriĝon de CO2 antaŭ uzo kaj portantajn (molekulojn kiuj fiksus je CO2) kiuj estas stabilaj en aerobiaj kondiĉoj kaj kapablaj koncentri CO2 je atmosferaj koncentriĝoj ankoraŭ ne estas evoluigitaj. La plej simpla produkto de CO2-redukto estas karbono monoksido (CO), sed por karburaĵa evoluado, plua redukto estas bezonata, kaj kerna paŝo ankaŭ bezonata pluan evoluadon estas la transigo de hidridaj anjonoj al CO.

Fotobiologia produktado de karburaĵoj

Kelkaj fotoaŭtotrofaj mikroorganismoj povas, sub specifaj kondiĉoj, produkti hidrogenon. Nitrogeno-fiksantaj mikroorganismoj, kiel filamenta cianobakterioj, posedas la enzimon nitrogenazon, kiu povas konverti atmosferan N2 en amoniako; molekula hidrogeno estas flanka produkto de ĉi tiu reakcio kaj ofte ne estas liberigita de la mikroorganismo, sed enprenita per hidrogeno-oksidiga hidrogenazo. Unu vojo devigi ĉi tiujn organismojn produkti hidrogenon estas nuligi la elprenan aktivecon de la hidrogenazo. Tio ĉi estis farita sur variaĵo de Nostoc punctiforme: unu el la strukturaj genoj de la NiFe elprena hidrogenazo estis malaktivigita de enmeta mutagenezo kaj la mutaciinta variaĵo montris hidrogenan eligon sub lampo.

Multaj el ĉi tiuj fotoaŭtotrofoj ankaŭ havas dudirektajn hidrogenazojn, kiuj povas produkti hidrogenon sub specifaj kondiĉoj. Tamen, aliaj energio-postulantaj metabolaj reakcioj povas konkuri por la necesaj elektronoj por protona redukto, malpliiganta la efikecon de la tuta procezo; ankaŭ, ĉi tiuj hidrogenazoj estas tre sensivaj al oksigeno.

Pluraj karbono-bazitaj biobruligaĵoj ankaŭ estis produktitaj uzante cianobakteriojn, ekzemple 1-butanolo.

Sintezaj biologiaj teknikoj estas antaŭviditaj esti utilaj por ĉi tiu temo. Mikrobiologiaj kaj enzimaj teknologioj havas la eblecon plibonigi enziman efikecon kaj fortikon, kaj konstrui novan biobruligaĵon-produktantan metabolan reakcion en fotoaŭtotrofoj kiuj antaŭe ne havis ilin aŭ pliboniĝi ol la ekzistantaj. Alia temo evoluigata estas la optimumigi fotobioreakciujojn por komercaj aplikoj.

Utiligitaj esploraj teknikoj

Esploro en artefarita lumsintezo estas nepre plurfaka temo, postulanta multajn malsamajn kompetentecojn. Kelkaj teknikoj utiligitaj por fari kaj esplori katalizilojn kaj sunajn ĉelojn inkluzivas:

• Organika kaj neorganika kemia sintezo.
• Electrokemiaj metodoj, kiel fotoelektrokemio, cicla voltametrio, elektrokemia impedanca spektroskopio Dielektrika spektroskopio kaj pogranda elektrolizo.
• Spektroskopiaj metodoj:
  • Rapidaj teknikoj, kiel tempo-solvita spectroscopy kaj ultrarapida lasera spectroscopy;
  • Magneta resonanca spektroskopio, kiel nuklea magneta resonanco, elektrona paramagneta resonanco;
  • X-radia spektroskopiaj metodoj, inkluzivantaj x-radia sorbo, ekzemple XANES kaj EXAFS, sed ankaŭ x-radia emano.
• Kristalografio.
• Molekula biologio, mikrobiologio kaj sintezaj biologiaj metodaroj.

Avantaĝoj, malavantaĝoj kaj efikeco

Avantaĝoj de sunkarburaĵa produktado per artefarita fotosintezo inkluzivas:

• La suna energio povas tuj transformiĝi kaj konserviĝi. En lumelektraj ĉeloj, sunbrilo transformiĝas en elektro kaj tiam ree transformiĝas en kemia energio por konservado, kun iu necesa perdo de energio asociita kun la dua konvertiĝo.
• La flankaj produktoj de ĉi tiuj reakcioj estas ekologie amikaj. Artefarite lumsensigitaj brulaĵoj estus karbono-neŭtrala fonto de energio, kiu povus esti uzata por transportado aŭ hejmoj.

Malavantaĝoj inkluzivas:

• Materialoj uzitaj por artefarita fotosintezo ofte korodiĝas en akvo, do ili eble estas malpli stabilaj ol fotovoltaikoj dum longaj periodoj de tempo. Plejmultaj hidrogenaj kataliziloj estas tre sensivaj al oksigeno, malaktiviĝi aŭ degeneri en ties ĉeesto; ankaŭ, lumdamaĝo eble okazos dum tempo.
• La kosto ne estas (ankoraŭ) sufiĉe avantaĝa por konkuri kun fosiliaj karburaĵoj kiel komerce realigebla fonto de energio.

Zorgo kutime traktita en katalizila fasono estas efikeco, precipe kiom el la incida lumo povas uziĝi en sistemo en praktiko. Tio ĉi estas komparebla kun fotosinteza efikeco, kie lumo-al-kemia-energia konvertiĝo mezuriĝas. Fotosintezaj organismoj kapablas kolekti pri 50% el incida suna radiado, tamen la teoria limo de fotosinteza efikeco estas 4,6 kaj 6,0% por C3 kaj C4 plantoj respektive. En realo, la efikeco de fotosintezo estas multe da pli malalta kaj estas kutime sub 1%, kun kelkaj esceptoj, kiel sukerkano en tropika klimato. En kontrasto, la plej alta raportita efikeco por artefarita fotosintezo, en laboritoriaj prototipoj, estas 22,4%. Tamen, plantoj estas efikaj uzante CO2 je atmosferaj koncentriĝoj, io kiun artefaritaj kataliziloj ankoraŭ ne povas fari.