Artefarita fotosintezo: Malsamoj inter versioj
| [kontrolita revizio] | [kontrolita revizio] |
Enhavo forigita Enhavo aldonita
refaris referencojn 34-44 |
refaris referencojn 45-69 |
||
Linio 10:
Dum [[fotovoltaiko]] povas provizi energion rekte de sunlumo, la malefikeco de brulaĵa produktado de lumelektro (nerekta procezo) kaj la fakto ke sunlumo ne estas konstanta tra la tago fiksas limon al ties uzo.<ref name="Styring">Styring, Stenbjörn (21 December 2011). "Artificial photosynthesis for solar fuels". Faraday Discussions. 155 (Advance Article): 357–376. Bibcode:2012FaDi..155..357S. doi:10.1039/C1FD00113B. PMID 22470985. Alirita 2021-09-14. [https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/fd/c1fd00113b]</ref><ref name="economist1">"The Difference Engine: The sunbeam solution". The Economist. 11 February 2011. Alirita 2021-09-14. [https://www.economist.com/babbage/2011/02/11/the-difference-engine-the-sunbeam-solution]</ref>
Unu metodo uzi naturan fotosintezon estas por la produktado de [[Biobrulaĵo|biobrulaĵo]], 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.<ref name=Listorti>Listorti, Andrea; Durrant, James; Barber, Jim (December 2009). "Solar to Fuel". Nature Materials. 8 (12): 929–930. Bibcode:2009NatMa...8..929L. doi:10.1038/nmat2578. PMID 19935695.[https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2009NatMa...8..929L/abstract]</ref>
La celo de artefarita fotosintezo estas produkti brulaĵon el sunlumo 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 eblecon esti pli malmultekosta ol benzino.<ref name=
Unu procezo por krei puran kaj malaltkostan 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 [[Renoviĝanta energio|alternativaj energiaj]] sistemoj.<ref name=Carraro>Carraro, Mauro; Sartorel, Andrea; Toma, Francesca; Puntoriero, Fausto; Scandola, Franco; Campagna, Sebastiano; Prato, Maurizio; Bonchio, Marcella (2011). Artificial Photosynthesis Challenges: Water Oxidation at Nanostructured Interfaces. Topics in Current Chemistry. 303. pp. 121–150. doi:10.1007/128_2011_136. ISBN 978-3-642-22293-1. PMID 21547686.</ref>
Linio 17:
Ĉi tiu procezo havas la eblecon 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.<ref name="navarro">Navarro, R.M.; del Valle, F.; de la Mano, J.A. Villoria; Álvarez-Galván, M.C.; Fierro, J.L.G. (2009). Photocatalytic Water Splitting Under Visible Light: Concept and Catalysts Development. Advances in Chemical Engineering. 36. pp. 111–143. doi:10.1016/S0065-2377(09)00404-9. ISBN 9780123747631.</ref>
Oni ĝenerale agnoskas du metodojn por konstrui sunajn fuelĉelojn por hidrogena produktado:<ref name="
* Homogena sistemo estas tiu, en kiu kataliziloj ne estas dispartigitaj, tio estas, la eroj ĉeestas en la sama ujo. Tio ĉi signifas ke hidrogeno kaj oksigeno produktiĝas en la sama loko. Tio ĉi povas esti malavantaĝo, pro tio ke ili kunmetas eksplodan miksaĵon, deviganta apartigon de la gasaj produktoj. Ankaŭ, ĉiuj eroj devas esti aktivaj en proksimume la samaj kondiĉoj (ekzemple, [[PH (kemia parametro)|pH]]).
Linio 53:
Ankaŭ en 2010, Wendell kaj kunlaborantoj sukcese demonstris fotosintezon en artefarita konstruaĵo kiu konsistas el enzimoj tenataj en ŝaŭma ujo.<ref>Frogs, Foam and Fuel: UC Researchers Convert Solar Energy to Sugars Archived 9 June 2012 at the Wayback Machine</ref>
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 fotosintezo.<ref name="artificial leaf">
La ĉelo estas plejparte fabrikita per malaltkostaj materialoj kiuj 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.<ref>
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 el sunlumo.<ref>jobs (2012). "'Artificial leaf' faces economic hurdle : Nature News & Comment". Nature. doi:10.1038/nature.2012.10703.</ref>
Eminentaj fakuloj en la kampo subtenis proponon por Tutmonda Projekto pri Artefarita Fotosintezo kiel solvo de energia sekureco kaj klimata ŝanĝiĝo.<ref>Faunce TA, Lubitz W, Rutherford AW, MacFarlane D, Moore GF, Yang P, Nocera DG, Moore TA, Gregory DH, Fukuzumi S, Yoon KB, Armstrong FA, Wasielewski MR, Styring S (2013). "Energy and Environment Policy Case for a Global Project on Artificial Photosynthesis". Energy and Environmental Science. 6 (3): 695–698. doi:10.1039/C3EE00063J. S2CID 97344491.</ref>
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.<ref>Towards Global Artificial Photosynthesis Lord Howe Island 2011 {{Citaĵo el la reto|url=https://law.anu.edu.au/conferences/artificial-photosynthesis}} published in Australian Journal of Chemistry Volume 65 Number 6 2012 'Artificial Photosynthesis: Energy, Nanochemistry, and Governance' http://www.publish.csiro.au/nid/52/issue/5915.htm</ref><ref>Do We Need a Global Project on Artificial Photosynthesis? https://royalsociety.org/~/media/events/2014/artificial-photosynthesis/TM0514%20Final%20programme%2027614.pdf?la=en-GB published in Interface Focus Vol 5(3) June 2015 http://rsfs.royalsocietypublishing.org/content/5/3</ref>▼
Konferencoj pri ĉi tiu temo okazis ĉe Insulo Lord Howe en 2011,<ref>Towards Global Artificial Photosynthesis Lord Howe Island 2011 Towards Global Artificial Photosynthesis Lord Howe Island 2011 "Artificial Photosynthesis". Archived from the original on 28 March 2016. Retrieved 7 April 2016. published in Australian Journal of Chemistry Volume 65 Number 6 2012 'Artificial Photosynthesis: Energy, Nanochemistry, and Governance' [http://www.publish.csiro.au/nid/52/issue/5915.htm]</ref>
▲
kaj ĉe Kanbero kaj Insulo Lord Howe en 2016.<ref>Global Artificial Photosynthesis- Breakthroughs for the Sustainocene Canberra and Lord Howe island 2016 http://medicalschool.anu.edu.au/towards-the-sustainocene Archived 19 April 2016 at the Wayback Machine</ref>
== Aktuala esplorado ==
Laŭ energio, natura fotosintezo povas esti priskribita en tri paŝoj:<ref name="Andreiadis"/><ref name="Hammarstrom"/>
* Lumrikoltantaj kompleksoj en bakterioj kaj plantoj kaptas fotonojn kaj transduktas ilin en elektronojn, injektante ilin en la fotosintezan ĉenon.
Linio 72 ⟶ 75:
* Tio ĉi regas la akvofendantan katalizilon por doni elektronojn al la lumsensivigilo. 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 katalizadon. La diversaj komponantoj estas kunmeteblaj laŭ diversaj manieroj, ekzemple [[Supermolekula kemio|supramolekulaj]] kompleksoj, dispartigitaj ĉeloj aŭ lineare, [[Kovalenta ligo|kovalente]] ligitaj molekuloj.<ref name="Andreiadis"
Esploro por trovi katalizilojn kiuj povas transformi akvon, karbonan dioksidon kaj sunlumon 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. Fotoelektrokemiaj ĉeloj kiuj reduktas karbonan dioksidon en karbonan monoksidon (CO), formiatan acidon (HCOOH) kaj metanolon (CH<sub>3</sub>OH) estas evoluataj
=== Hidrogenaj kataliziloj ===
Linio 81 ⟶ 84:
: 2 e− + <sub>2</sub> H<sup>+</sup> ⇌ H+ + H− ⇌ H2
La protono-al-hidrogeno transformantaj kataliziloj en la naturo estas [[Hidrogenazo|hidrogenazoj]]. Ĉi tiuj estas [[Enzimo|enzimoj]] kiuj povas aŭ redukti protonojn al molekula hidrogeno aŭ oksidigi hidrogenon al protonoj kaj elektronoj. [[Spektroskopio|Spektroskopaj]] kaj kristalografiaj studoj tra pluraj jardekoj rezultis en bona kompreno de kaj la strukturo kaj la mekanismo de hidrogenaza katalizo.<ref name="Lubitz">
<ref name="Fontecilla-Camps"> Fontecilla-Camps, Juan C.; Volbeda, Anne; Cavazza, Christine; Nicolet, Yvain (2007). "Structure/Function Relationships of [NiFe]- and [FeFe]-Hydrogenases". Chemical Reviews. 107 (10): 4273–4303. doi:10.1021/cr050195z. PMID 17850165.</ref> Uzante ĉi tiun informon, oni sintezis plurajn molekulojn kiuj imitas la strukturon de la aktiva loko de kaj nikelo-fera kaj fero-fera hidrogenazoj.<ref name="Andreiadis"/><ref name="Pickett">Tard, Cédric; Pickett, Christopher J. (2009). "Structural and Functional Analogues of the Active Sites of the [Fe]-, [NiFe]-, and [FeFe]-Hydrogenases". Chemical Reviews. 109 (6): 2245–2274. doi:10.1021/cr800542q. PMID 19438209.</ref> Aliaj kataliziloj ne estas strukturaj imitaĵoj de hidrogenazo sed praktikaj. Sintezitaj kataliziloj inkluzivas strukturajn H-faskajn modelojn,<ref name="Andreiadis" /><ref name="Tard">Tard, Cédric; Liu, Xiaoming; Ibrahim, Saad K.; Bruschi, Maurizio; De Gioia, Luca; Davies, Siân C.; Yang, Xin; Wang, Lai-Sheng; et al. (10 February 2005). "Synthesis of the H-cluster framework of iron-only hydrogenase". Nature. 433 (7026): 610–613.</ref> dirodian fotokatalizilon<ref name="Heyduk">Heyduk, Alan F.; Nocera (31 August 2001). "Daniel G.". Science. 293 (5535): 1639–1641. Bibcode:2001Sci...293.1639H. doi:10.1126/science.1062965. PMID 11533485. S2CID 35989348.</ref> kaj [[Kobalto|kobaltajn]] katalizilojn.<ref name="Andreiadis" /><ref name="Hu">Hu, Xile; Cossairt, Brandi M.; Brunschwig, Bruce S.; Lewis, Nathan S.; Peters, Jonas C. (2005). "Electrocatalytic hydrogen evolution by cobalt difluoroboryl-diglyoximate complexes" (PDF). Chemical Communications. 37 (37): 4723–4725. doi:10.1039/B509188H. PMID 16175305.</ref>
=== Akvo-oksidigaj kataliziloj ===
Akvo-oksidigo estas pli kompleksa kemia reakcio ol proton-redukto. En naturo, la oksigeno-eliga komplekso 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:
:
Sen katalizilo (natura aŭ artefarita), ĉi tiu reakcio estas tre endoterma, bezonanta altajn temperaturojn (almenaŭ 2500 K).<ref name="Bockris"
La ĝusta strukturo de la oksigeno-eliga komplekso estas malfacile determinebla eksperimente.<ref name="Yano">Yano, Junko; Kern, Jan; Irrgang, Klaus-Dieter; Latimer, Matthew J.; Bergmann, Uwe; Glatzel, Pieter; Pushkar, Yulia; Biesiadka, Jacek; Loll, Bernhard; Sauer, Kenneth; Messinger, Johannes; Zouni, Athina; Yachandra, Vittal K. (23 August 2005). "X-ray damage to the Mn4Ca complex in single crystals of photosystem II: A case study for metalloprotein crystallography". Proceedings of the National Academy of Sciences. 102 (34): 12047–12052. Bibcode:2005PNAS..10212047Y. doi:10.1073/pnas.0505207102. PMC 1186027. PMID 16103362.</ref>
Ĝis 2011, la plej detala modelo estis el kristala strukturo de fotosistemo II kun distingivo 1,9 Å.<ref>Yasufumi, Umena; Kawakami, Keisuke; Shen, Jian-Ren; Kamiya, Nobuo (5 May 2011). "Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of 1.9 Å" (PDF). Nature. 473 (7345): 55–60. Bibcode:2011Natur.473...55U. doi:10.1038/nature09913. PMID 21499260. S2CID 205224374.</ref> La komplekso estas fasko enhavanta kvar manganajn kaj unu kalcian jonojn, sed la ekzakta loko kaj mekanismo de akvooksidigo en la fasko estas nekonata. Tamen oni sintezis biomimetikan manganajn kaj mangan-kalciajn kompleksojn, ekzemple, [Mn<sub>4</sub>O<sub>4</sub>] kuban-tipajn faskojn, el kiuj iuj havas katalizan aktivecon<ref>Dismukes, G. Charles; Brimblecombe, Robin; Felton, Greg A. N.; Pryadun, Ruslan S.; Sheats, John E.; Spiccia, Leone; Swiegers, Gerhard F. (2009). "Development of Bioinspired 4O4−Cubane Water Oxidation Catalysts: Lessons from Photosynthesis". Accounts of Chemical Research. 42 (12): 1935–1943. doi:10.1021/ar900249x. PMID 19908827.</ref>
Kelkaj kompleksoj de [[rutenio]], kiel la dinuklea µ-okso-transpontita "blua dimero" (la unua tia esti sintezita), kapablas katalizi lumregatan akvo-oksidigon, danke al ilia kapablo formi alt[[Valento (kemio)|valentajn]] statojn.<ref name="Andreiadis"
Oni eltrovis ke multaj metalaj oksidoj havas akvo-oksidigan katalizan aktivecon, inkluzive al rutenia(IV) oksido (RuO<sub>2</sub>), iridia(IV) oksido (IrO<sub>2</sub>), kobaltaj oksidoj (inkluzive al nikelo-dotita Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub>), mangana oksido (inkluzive al tavolita MnO<sub>2</sub> (birnessite), Mn<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) kaj miksaĵo de Mn<sub>2</sub>O<sub>3</sub> kun CaMn<sub>2</sub>O<sub>4</sub>. 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.<ref name="Carraro"
Oni montris ke materioj bazitaj sur Metalo-Organika Kadro estas tre promesplena kandidato por akvo-oksidigo kun unuvicaj transiraj metaloj.<ref>
=== Lumsensivigiloj ===
Linio 102 ⟶ 107:
La Naturo uzas [[Biologia pigmento|pigmentojn]], plejparte [[Klorofilo|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 agentoj.<ref name="Andreiadis"
Senmetalaj organikaj kompleksoj ankaŭ estis sukcese utiligitaj kiel lumsensivigiloj. Ekzemploj inkluzivas eozino Y kaj rozo bengala.<ref name="Andreiadis"/> Pirolaj ringoj, ekzemple porfirinoj, ankaŭ estis uzitaj en tegaj nanomaterioj aŭ [[Duonkonduktanto|duonkonduktiloj]] por homogenaj kaj heterogenaj kataliziloj.<ref name="Carraro"/><ref name="Kalyanasundaram"/>
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 enmeta procezo, kiu okazas sub vakuo kaj ĉe altaj temperaturoj, estas ebligita de la kunlabora vibra moviĝo de la [[Zeolito|zeolita]] kadro kaj de la tinkturaj molekuloj.<ref>Tabacchi, Gloria; Calzaferri, Gion; Fois, Ettore (2016). "One-dimensional self-assembly of perylene-diimide dyes by unidirectional transit of zeolite channel openings". Chemical Communications. 52 (75): 11195–11198. doi:10.1039/C6CC05303C. PMID 27484884.</ref>
La rezultinta materialo povas esti miksita kun ekstera aparato tra krano.<ref name="calzaferri2011"> Calzaferri, Gion; Méallet-Renault, Rachel; Brühwiler, Dominik; Pansu, Robert; Dolamic, Igor; Dienel, Thomas; Adler, Pauline; Li, Huanrong; Kunzmann, Andreas (2011). "Designing Dye–Nanochannel Antenna Hybrid Materials for Light Harvesting, Transport and Trapping". ChemPhysChem. 12 (3): 580–594. doi:10.1002/cphc.201000947. PMID 21337487.</ref><ref>Tabacchi, Gloria; Fois, Ettore; Calzaferri, Gion (2015). "Structure of Nanochannel Entrances in Stopcock-Functionalized Zeolite L". Angewandte Chemie International Edition. 54 (38): 11112–11116. doi:10.1002/anie.201504745. PMID 26255642.</ref>
=== Kataliziloj por redukti karbonan dioksidon ===
Linio 142 ⟶ 149:
Malavantaĝoj inkluzivas la jenajn:
* Materialoj uzitaj por artefarita fotosintezo ofte korodiĝas en akvo, do ili eble estas malpli stabilaj ol [[Fotovoltaiko|fotovoltaikoj]] dum longaj periodoj. Plejmultaj hidrogenaj kataliziloj estas tre sensivaj al oksigeno, malaktiviĝi aŭ degeneri en ties ĉeesto; ankaŭ, lumdamaĝo eble okazos dum tempo.<ref name="Andreiadis"
* La kosto ne estas (ankoraŭ) sufiĉe avantaĝa por konkuri kun [[Fosilia brulaĵo|fosiliaj brulaĵoj]] kiel komerce realigebla fonto de energio.
| |||