Hoe Kunstmatige Fotosynthese Werkt

{h1}

Kunstmatige fotosynthese stelt ons in staat om een ​​van de wonderen van de natuur na te bootsen. Bezoek WordsSideKick.com om alles te leren over kunstmatige fotosynthese.

Als de slimste energiebron er een is die overvloedig, goedkoop en schoon is, dan zijn planten een stuk slimmer dan mensen. Meer dan miljarden jaren hebben ze misschien de meest efficiënte stroomvoorziening ter wereld ontwikkeld: fotosyntheseof de omzetting van zonlicht, koolstofdioxide en water in bruikbare brandstof, waarbij tijdens het proces nuttige zuurstof wordt uitgestoten.

In het geval van planten (evenals algen en sommige bacteriën) is "bruikbare brandstof" koolhydraten, eiwitten en vetten. Mensen zijn daarentegen op zoek naar vloeibare brandstof om auto's en elektriciteit van stroom te voorzien om koelkasten te laten draaien. Maar dat betekent niet dat we niet kunnen kijken naar fotosynthese om onze vuile-, dure-, slinkende-energieloeilijkheden op te lossen. Jarenlang hebben wetenschappers geprobeerd een manier te vinden om hetzelfde energiesysteem te gebruiken dat planten doen, maar met een gewijzigde eindoutput.

Door niets anders dan zonlicht als energiebron te gebruiken, voeren planten enorme energieomzettingen uit, waarbij ze 1,102 miljard ton (1.000 miljard metrische tonnen) CO2 in organische materie, d.w.z. energie voor dieren in de vorm van voedsel, elk jaar [bron: Hunter]. En dat gebruikt slechts 3 procent van het zonlicht dat de aarde bereikt [bron: Boyd].

De energie die beschikbaar is in zonlicht is een onaangeboorde hulpbron waar we pas echt mee aan de slag gaan. De huidige technologie voor fotovoltaïsche cellen, meestal een op halfgeleiders gebaseerd systeem, is duur, niet erg efficiënt, en doet alleen onmiddellijke conversies van zonlicht naar elektriciteit - de energie-output wordt niet opgeslagen voor een regenachtige dag (hoewel dat kan veranderen: zie "Is er een manier om 's nachts zonne-energie te krijgen?"). Maar een kunstmatig fotosynthesesysteem of een foto-elektrochemische cel die nabootst wat er in planten gebeurt, zou potentieel een eindeloze, relatief goedkope levering van al het schone "gas" en elektriciteit kunnen creëren die we nodig hebben om ons leven te voeden - en ook in een bewaarbare vorm.

In dit artikel zullen we kijken naar kunstmatige fotosynthese en kijken hoe ver het is gekomen. We zullen uitvinden wat het systeem moet kunnen doen, enkele huidige methoden voor het bereiken van kunstmatige fotosynthese bekijken en zien waarom het niet zo eenvoudig is om te ontwerpen als sommige andere energieconversiesystemen.

Wat moet een kunstmatig fotosynthesesysteem dus kunnen doen?

Hoe kunstmatige fotosynthese werkt: werkt

Benadering van kunstmatige fotosynthese

Om de fotosynthese na te bootsen die planten hebben geperfectioneerd, moet een energieconversiesysteem twee cruciale dingen kunnen doen (waarschijnlijk in een soort nanobuis die fungeert als het structurele "blad"): oogst zonlicht en gespleten watermoleculen.

Planten voeren deze taken uit met chlorofyl, dat zonlicht opvangt, en een verzameling eiwitten en enzymen die dat zonlicht gebruiken om H af te breken2O-moleculen in waterstof, elektronen en zuurstof (protonen). De elektronen en waterstof worden vervolgens gebruikt om CO in te schakelen2 in koolhydraten, en de zuurstof wordt verdreven.

Om een ​​kunstmatig systeem te laten werken voor menselijke behoeften, moet de output veranderen. In plaats van alleen zuurstof af te geven aan het einde van de reactie, zou het ook vloeibare waterstof (of misschien methanol) moeten afgeven. Die waterstof zou direct als vloeibare brandstof kunnen worden gebruikt of in een brandstofcel worden geleid. Het proces om waterstof te produceren tot stand brengen is geen probleem, omdat het al aanwezig is in de watermoleculen. En zonlicht vastleggen is geen probleem - de huidige zonne-energiesystemen doen dat.

Het harde deel is het splitsen van de watermoleculen om de elektronen te krijgen die nodig zijn om het chemische proces dat de waterstof produceert te vergemakkelijken. Het splitsen van water vereist een energie-input van ongeveer 2,5 volt [bron: Hunter]. Dit betekent dat het proces een katalysator vereist - iets om het hele ding in beweging te krijgen. De katalysator reageert met de fotonen van de zon om een ​​chemische reactie te initiëren.

Op dit gebied zijn de afgelopen vijf of tien jaar belangrijke vorderingen gemaakt. Enkele van de meer succesvolle katalysatoren zijn onder meer:

  • Mangaan: Mangaan is de katalysator die wordt aangetroffen in de fotosynthetische kern van planten. Een enkel mangaanatoom triggert het natuurlijke proces dat zonlicht gebruikt om water te splijten. Het gebruik van mangaan in een kunstmatig systeem is een biomimetrische benadering - het bootst direct de biologie na die in planten wordt gevonden.
  • Kleurstofgevoelig titaandioxide: Titaandioxide (TiO2) is een stabiel metaal dat kan werken als een efficiënte katalysator. Het wordt gebruikt in een kleurstof-gevoelige zonnecel, ook bekend als een Graetzel-cel, die al bestaat sinds de jaren 1990. In een Graetzel-cel, de TiO2 wordt gesuspendeerd in een laag kleurstofdeeltjes die het zonlicht opvangen en blootstellen aan het TiO2 om de reactie te starten.
  • Cobalt oxide: Een van de meer recent ontdekte katalysatoren, clusters van nanokwalieke kobalt-oxidemoleculen (CoO) bleken stabiele en zeer efficiënte triggers te zijn in een kunstmatig fotosynthesesysteem. Kobaltoxide is ook een zeer overvloedig molecuul - het is momenteel een populaire industriële katalysator.

Eenmaal geperfectioneerd, zouden deze systemen de manier kunnen veranderen waarop we onze wereld van stroom voorzien.

Kunstmatige fotosynthesetoepassingen

NREL-wetenschapper John Turner demonstreert het vermogen van een foto-elektrochemische (PEC) cel om waterstof te produceren uit water met behulp van energie uit een lichtbron.

NREL-wetenschapper John Turner demonstreert het vermogen van een foto-elektrochemische (PEC) cel om waterstof te produceren uit water met behulp van energie uit een lichtbron.

Fossiele brandstoffen zijn schaars en dragen bij aan vervuiling en opwarming van de aarde. Steenkool, hoewel overvloedig, is zeer vervuilend, zowel voor het menselijk lichaam als voor het milieu. Windturbines doen pijn aan schilderachtige landschappen, maïs vergt enorme stukken landbouwgrond en de huidige zonneceltechnologie is duur en inefficiënt.Kunstmatige fotosynthese zou een nieuwe, mogelijk ideale uitweg uit onze energiehype kunnen bieden.

Om te beginnen heeft het voordelen ten opzichte van fotovoltaïsche cellen, te vinden in de zonnepanelen van vandaag. De directe omzetting van zonlicht in elektriciteit in fotovoltaïsche cellen maakt zonne-energie een weers- en tijdsafhankelijke energie, die de bruikbaarheid vermindert en de prijs ervan verhoogt. Kunstmatige fotosynthese zou daarentegen een opslagbare brandstof kunnen produceren.

En in tegenstelling tot de meeste methoden voor het genereren van alternatieve energie, heeft kunstmatige fotosynthese het potentieel om meer dan één soort brandstof te produceren. Het fotosyntheseproces zou kunnen worden geknepen, zodat de reacties tussen licht, CO2 en H2O produceert uiteindelijk vloeibare waterstof. Vloeibare waterstof kan worden gebruikt als benzine in waterstofaangedreven motoren. Het kan ook worden gesluisd naar een brandstofcelopstelling, waardoor het fotosyntheseproces effectief wordt omgekeerd en er elektriciteit wordt opgewekt door waterstof en zuurstof in water te combineren. Waterstofbrandstofcellen kunnen elektriciteit opwekken zoals het spul dat we van het elektriciteitsnet krijgen, dus we zouden het gebruiken om onze airconditioning en waterverwarmingstoestellen te laten werken.

Een van de huidige problemen met waterstof op grote schaal is de vraag hoe vloeibaar waterstof efficiënt en zuiver kan worden geproduceerd. Kunstmatige fotosynthese kan een oplossing zijn.

Methanol is een andere mogelijke output. In plaats van zuivere waterstof in het fotosyntheseproces uit te zenden, kan de foto-elektrochemische cel methanolbrandstof (CH3OH). Methanol, of methylalcohol, wordt meestal afgeleid van het methaan in aardgas en wordt vaak toegevoegd aan commerciële benzine om het schoon te maken. Sommige auto's kunnen zelfs alleen op methanol rijden.

Het vermogen om een ​​schone brandstof te produceren zonder schadelijke bijproducten te produceren, zoals broeikasgassen, maakt kunstmatige fotosynthese een ideale energiebron voor het milieu. Het zou niet mijnbouw, groeien of boren vereisen. En omdat noch water noch kooldioxide momenteel schaars zijn, kan het ook een onbeperkte bron zijn, mogelijk goedkoper dan andere energievormen op de lange termijn. In feite zou dit type foto-elektrochemische reactie zelfs grote hoeveelheden schadelijke CO kunnen verwijderen2 vanuit de lucht tijdens het produceren van brandstof. Het is een win-win situatie.

Maar we zijn er nog niet. Er zijn verschillende obstakels om kunstmatige fotosynthese op massale schaal te gebruiken.

Uitdagingen bij het creëren van kunstmatige fotosynthese

De natuur heeft het fotosyntheseproces gedurende miljarden jaren geperfectioneerd. Het zal niet gemakkelijk zijn om het te repliceren in een synthetisch systeem.

De natuur heeft het fotosyntheseproces gedurende miljarden jaren geperfectioneerd. Het zal niet gemakkelijk zijn om het te repliceren in een synthetisch systeem.

Hoewel kunstmatige fotosynthese in het lab werkt, is het niet klaar voor massaconsumptie. Het herhalen van wat er natuurlijk gebeurt in groene planten is geen eenvoudige taak.

Efficiëntie is cruciaal bij de productie van energie. Planten namen miljarden jaren de tijd om het fotosyntheseproces te ontwikkelen dat voor hen efficiënt werkt; het repliceren van dat in een synthetisch systeem kost veel vallen en opstaan.

Het mangaan dat fungeert als katalysator in planten werkt niet zo goed in een door de mens gemaakte opzet, meestal omdat mangaan enigszins onstabiel is. Het duurt niet lang en lost het niet op in water, waardoor een op mangaan gebaseerd systeem enigszins inefficiënt en onpraktisch is. Het andere grote obstakel is dat de moleculaire geometrie in planten buitengewoon complex en exact is - de meeste door de mens gemaakte opstellingen kunnen dat niveau van complexiteit niet reproduceren.

Stabiliteit is een probleem in veel mogelijke fotosynthesesystemen. Organische katalysatoren worden vaak afgebroken of ze veroorzaken extra reacties die de werking van de cel kunnen beschadigen. Anorganische metaaloxide-katalysatoren zijn een goede mogelijkheid, maar ze moeten snel genoeg werken om efficiënt gebruik te maken van de fotonen die in het systeem worden gegoten. Dat soort katalytische snelheid is moeilijk te verkrijgen. En sommige metaaloxiden die de snelheid hebben ontbreken in een ander gebied - overvloed.

In de huidige state-of-the-art kleurstof-gesensibiliseerde cellen is het probleem niet de katalysator; in plaats daarvan is het de elektrolytoplossing die de protonen uit de gespleten watermoleculen absorbeert. Het is een essentieel onderdeel van de cel, maar het is gemaakt van vluchtige oplosmiddelen die andere componenten in het systeem kunnen eroderen.

Vooruitgang in de afgelopen jaren begint deze problemen aan te pakken. Kobaltoxide is een stabiel, snel en overvloedig metaaloxide. Onderzoekers in kleurstofgevoelige cellen hebben een niet-oplosmiddelgebaseerde oplossing bedacht om de bijtende stoffen te vervangen.

Onderzoek naar kunstmatige fotosynthese neemt stoom op, maar het zal het laboratorium niet snel verlaten. Het zal minstens 10 jaar duren voordat dit type systeem een ​​realiteit is [bron: Boyd]. En dat is een mooie hoopvolle schatting. Sommige mensen weten niet zeker of het ooit zal gebeuren. Maar wie kan er niet tegen hopen te hopen op kunstmatige planten die zich als het ware gedragen?


Video Supplement: Hoe werkt een kerncentrale?.




Onderzoek


Zoeken Naar Weird Sea Life: Q & A Met Een Mariene Bioloog
Zoeken Naar Weird Sea Life: Q & A Met Een Mariene Bioloog

De Dichtstbijzijnde Exoplaneten Naar De Aarde Zou 'Zeer Bewoonbaar' Kunnen Zijn
De Dichtstbijzijnde Exoplaneten Naar De Aarde Zou 'Zeer Bewoonbaar' Kunnen Zijn

Science Nieuws


'S Werelds Eerste' 3-Ouder 'Baby Geboren: Is Het Ethisch?
'S Werelds Eerste' 3-Ouder 'Baby Geboren: Is Het Ethisch?

Kun Je Sterven Aan Alcoholontwenning?
Kun Je Sterven Aan Alcoholontwenning?

Happy Palindrome Week: Waarom Deze Week Bijzonder Is
Happy Palindrome Week: Waarom Deze Week Bijzonder Is

Maakt Mannelijk Huishoudelijk Werk Mannen Minder Sexy?
Maakt Mannelijk Huishoudelijk Werk Mannen Minder Sexy?

Glowing Cells Guide Ontwikkeling Van Antischimmelmiddelen (Op-Ed)
Glowing Cells Guide Ontwikkeling Van Antischimmelmiddelen (Op-Ed)

WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com