فتوسنتز مصنوعی

تصویر: برگ روی درخت. گیاهان از طریق فتوسنتز نور خورشید را به انرژی تبدیل می کنند. آیا ما هم می توانیم همین کار را انجام دهیم؟
 
اگر باهوش ترین منبع انرژی آنی است که فراوان، ارزان و تمیز باشد، گیاهان بسیار باهوش تر از انسان هستند. طی میلیاردها سال، آنها شاید کارآمدترین منبع توان (منبع تغذیه) در جهان را توسعه داده اند: فتوسنتز یا تبدیل نور خورشید، دی اکسید کربن و آب به سوخت قابل استفاده و انتشار اکسیژن مفید در این فرایند.
 
در مورد گیاهان (و همچنین جلبک ها و برخی باکتری ها)، "سوخت قابل استفاده" کربوهیدرات ها، پروتئین ها و چربی ها هستند. از سوی دیگر، انسان ها به دنبال سوخت مایع برای تأمین نیروی خودروها و برق برای کارکردن یخچال ها هستند. اما این بدان معنا نیست که ما نمی توانیم به دنبال فتوسنتز برای حل مشکلات کثیف، گران و انرژی رو به کاهش خود باشیم. سال هاست که دانشمندان سعی می کنند راهی برای استفاده از همان سیستم انرژی که گیاهان به کار می گیرند، اما با خروجی نهاییِ تغییر یافته، بیابند.
 
تنها با استفاده از نور خورشید به عنوان انرژی ورودی، گیاهان تبدیل انرژی های عظیمی را انجام می دهند و سالانه 1000 میلیارد تن CO2 را به ماده آلی تبدیل می کنند، یعنی تأمین انرژی سالانه برای حیوانات به شکل غذا. و همه این تنها با استفاده از 3 درصد از نور خورشید که به زمین می رسد صورت می گیرد.
 توانایی تولید سوخت پاک بدون تولید هیچ گونه محصول جانبی مضر مانند گازهای گلخانه ای، فتوسنتز مصنوعی را به منبع انرژی ایده آل برای محیط زیست تبدیل می کند. انرژی موجود در نور خورشید یک منبع بکر است که ما تازه شروع به کارکردن با آن کرده ایم. فناوری فعلی سلول های فتوولتائیک، معمولاً یک سیستم نیمه هادی، گران است، چندان کارآمد نیست و فقط تبدیل های لحظه ای از نور خورشید به برق را انجام می دهد- خروجی انرژی برای یک روز بارانی ذخیره نمی شود (اگرچه این می تواند تغییر کند: "آیا راهی برای دریافت انرژی خورشیدی در شب وجود دارد؟"). اما یک سیستم فتوسنتز مصنوعی یا یک سلول فوتوالکتروشیمیایی که از آن چه در گیاهان اتفاق می افتد تقلید می کند، می تواند به طور بالقوه یک منبع بی پایان و نسبتاً ارزان برای تمام "گاز" تمیز و برق مورد نیاز ما برای تأمین زندگی مان فراهم کند - که همچنین به شکل قابل ذخیره خواهد بود.
 
بیایید به فناوری فتوسنتز مصنوعی نگاه کنیم و ببینیم که تا کجا پیش رفته است. می خواهیم بفهمیم که سیستم باید چه کار کند، و برخی از روش های فعلی برای دستیابی به فتوسنتز مصنوعی را بررسی می کنیم و می بینیم که چرا طراحی آن به راحتیِ برخی دیگر از سیستم های تبدیل انرژی نیست.
 
بنابراین، یک سیستم فتوسنتز مصنوعی باید بتواند چه کار کند؟
 

رویکردهای فتوسنتز مصنوعی

برای بازآفرینی فتوسنتز که گیاهان کامل کرده اند، یک سیستم تبدیل انرژی باید بتواند دو کار مهم را انجام دهد (احتمالاً در داخل نوعی نانولوله که به عنوان "برگ" ساختاری عمل می کند): جمع آوری نور خورشید و شکافت مولکول های آب.
 
گیاهان این وظایف را با استفاده از کلروفیل، که نور خورشید را جذب می کند و مجموعه ای از پروتئین ها و آنزیم ها که از آن برای تجزیه مولکول های H2O به هیدروژن، الکترون و اکسیژن (پروتون) استفاده می کنند، انجام می دهند. سپس از الکترون ها و هیدروژن برای تبدیل CO2 به کربوهیدرات استفاده می شود و اکسیژن خارج می شود.
 
برای این که یک سیستم مصنوعی برای نیازهای انسان کار کند، خروجی باید تغییر کند. به جای آزاد سازی تنها اکسیژن در پایان واکنش، باید هیدروژن مایع (یا شاید متانول) نیز آزاد شود. این هیدروژن می تواند مستقیماً به عنوان سوخت مایع مورد استفاده قرار گیرد یا به سلول سوختی هدایت شود. ایجاد فرآیند تولید هیدروژن مشکل نیست، زیرا در مولکول های آب وجود دارد. و گرفتن نور خورشید هم مشکل نیست - سیستم های فعلی انرژی خورشیدی این کار را انجام می دهند.
 
قسمت سخت کار، شکافت مولکول های آب برای دریافت الکترون های لازم برای تسهیل فرایند شیمیایی تولید هیدروژن است. تقسیم آب به ورودی انرژی حدود 2.5 ولت نیاز دارد. این بدان معناست که این فرآیند به یک کاتالیزور نیاز دارد - چیزی که بتواند کل کار را به حرکت درآورد. کاتالیزور با فوتون های خورشید واکنش نشان می دهد تا یک واکنش شیمیایی را آغاز کند.
 
در پنج یا 10 سال گذشته پیشرفت های مهمی در این زمینه صورت گرفته است. تعدادی از کاتالیزورهای موفق تر عبارتند از:
 
* منگنز: منگنز کاتالیزوری است که در هسته فتوسنتزی گیاهان یافت می شود. یک اتم منگنز باعث فرایندی طبیعی می شود که از نور خورشید برای شکافت آب استفاده می کند. استفاده از منگنز در یک سیستم مصنوعی یک روش متقارن زیستی است – و به طور مستقیم از زیست شناسی موجود در گیاهان تقلید می کند.
 
* دی اکسید تیتانیوم حساس به رنگ: دی اکسید تیتانیوم (TiO2) یک فلز پایدار است که می تواند به عنوان یک کاتالیزور کارآمد عمل کند. از آن در سلول خورشیدی حساس به رنگ استفاده می شود، همچنین به عنوان سلول Graetzel  شناخته می شود که از دهه 1990 وجود داشته است. در سلولGraetzel ، TiO2  در لایه ای از ذرات رنگ که نور خورشید را گرفته و سپس در معرض TiO2 قرار می دهد تا واکنش شروع شود، معلق است.
 
* اکسید کبالت: یکی از کاتالیزورهای اخیراً کشف شده، خوشه های نانو اندازه مولکول های اکسید کبالت (CoO) ، محرک های پایدار و بسیار کارآمدی در یک سیستم فتوسنتز مصنوعی هستند. اکسید کبالت همچنین یک مولکول بسیار فراوان است – و در حال حاضر یک کاتالیزور صنعتی محبوب است.
 
پس از تکمیل، این سیستم ها می توانند شیوه قدرت بخشیدن به جهان را تغییر دهند.
 

کاربردهای فتوسنتز مصنوعی

 
تصویر: دانشمند NREL جان ترنر توانایی یک سلول فوتوالکتروشیمیایی (PEC) را در تولید هیدروژن از آب با استفاده از کسب انرژی از منبع نور نشان می دهد. تصویر از وارن گرتز، آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر گرفته شده است.
سوخت های فسیلی دچار کمبود هستند، و در آلودگی و گرم شدن کره زمین نقش دارند. زغال سنگ در حالی که فراوان است، هم برای جسم انسان مضر است و هم محیط زیست را بسیار آلوده می کند.  سوخت های فسیلی دچار کمبود هستند، و در آلودگی و گرم شدن کره زمین نقش دارند. زغال سنگ در حالی که فراوان است، هم برای جسم انسان مضر است و هم محیط زیست را بسیار آلوده می کند. توربین های بادی به چشم اندازهای زیبا آسیب می رسانند، ذرت به زمین های وسیع کشاورزی نیاز دارد و فناوری سلول های خورشیدی فعلی گران و ناکارآمد است. فتوسنتز مصنوعی می تواند راهی جدید و احتمالاً ایده آل برای برون رفت از مشکل انرژی ما ارائه دهد.
 
از یک جهت، مزایایی نسبت به سلول های فتوولتائیک دارد که در پنل های خورشیدی امروزی یافت می شود. تبدیل مستقیم نور خورشید به الکتریسیته در سلول های فتوولتائیک، انرژی خورشیدی را به انرژی ای وابسته به آب و هوا و زمان تبدیل می کند، که این امر کاربرد آن را کاهش داده و قیمت آن را افزایش می دهد. از طرف دیگر، فتوسنتز مصنوعی به علاوه می تواند سوخت قابل ذخیره ای تولید کند.
 
و برخلاف اکثر روش های تولید انرژی جایگزین، فتوسنتز مصنوعی پتانسیل تولید بیش از یک نوع سوخت را دارد. فرآیند فتوسنتز را می توان دستکاری کرد تا واکنشهای موجود بین نور، CO2  و H2O در نهایت هیدروژن مایع تولید کنند. از هیدروژن مایع می توان مانند بنزین در موتورهای هیدروژنی استفاده کرد. همچنین می تواند به یک تنظیم سلول سوختی هدایت شود، که به طور مؤثری فرآیند فتوسنتز را معکوس کرده و با ترکیب هیدروژن و اکسیژن در تولید آب، الکتریسیته ایجاد می کند. سلول های سوختی هیدروژنی می توانند الکتریسیته ای تولید کنند که جایگزین الکتریسیته ای شوند که ما از شبکه استفاده می کنیم، بنابراین ما از آن برای کارکردن تهویه مطبوع و آبگرمکن خود استفاده می کنیم.
 
یکی از مشکلات فعلی در مورد انرژی هیدروژن در مقیاس بزرگ، این پرسش است که چگونه می توان هیدروژن مایع را به طور مؤثر و پاک تولید کرد. فتوسنتز مصنوعی ممکن است یک راه حل باشد.
 
متانول یکی دیگر از خروجی های احتمالی است. به جای انتشار هیدروژن خالص در فرایند فتوسنتز، سلول فوتوالکتروشیمیایی می تواند سوخت متانول (CH3OH) تولید کند. متانول یا متیل الکل معمولاً از متان موجود در گاز طبیعی گرفته می شود و اغلب به بنزین تجاری اضافه می شود تا تمیزتر بسوزد. برخی از خودروها حتی می توانند تنها با متانول کار کنند.
 
توانایی تولید سوخت پاک بدون تولید هیچ گونه محصول جانبی مضر مانند گازهای گلخانه ای، فتوسنتز مصنوعی را به منبع انرژی ایده آل برای محیط زیست تبدیل می کند. نیازی به استخراج، رشد یا حفاری ندارد. و از آن جایی که در حال حاضر نه در آب و نه در دی اکسید کربن کمبودی وجود دارند، می تواند منبعی بی حد و حصر باشد، که در بلند مدت به طور بالقوه ارزان تر از سایر اشکال انرژی است. در واقع، این نوع واکنش فوتوالکتروشیمیایی حتی می تواند مقادیر زیادی CO2 مضر را در فرایند تولید سوخت از هوا خارج کند. این یک وضعیت برد - برد است.
 
اما ما هنوز آن جا نیستیم و موانع متعددی بر سر راه استفاده از فتوسنتز مصنوعی در مقیاس انبوه وجود دارد.
 

چالش های ایجاد فتوسنتز مصنوعی

 
تصویر: ساقه برگ. طبیعت طی میلیاردها سال فرآیند فتوسنتز را کامل کرده است. تکرار آن در یک سیستم مصنوعی آسان نخواهد بود.
 
در حالی که فتوسنتز مصنوعی در آزمایشگاه کار می کند، برای مصرف انبوه آماده نیست. تکرار آن چه به طور طبیعی در گیاهان سبز اتفاق می افتد کار ساده ای نیست.
 
بهره وری در تولید انرژی بسیار مهم است. میلیاردها سال طول کشیده تا گیاهان فرآیند فتوسنتز را توسعه دهند به گونه ای که برای آنها کارآمد باشد. تکرار آن در یک سیستم مصنوعی، آزمایش و خطای زیادی می طلبد.
 
منگنز که به عنوان کاتالیزور در گیاهان عمل می کند، در ترکیبات ساخته شده توسط انسان به خوبی عمل نمی کند، بیشتر به این دلیل که منگنز تا حدودی ناپایدار است. این عنصر مدت زیادی دوام نمی آورد و در آب حل نمی شود و یک سیستم مبتنی بر منگنز را تا حدودی ناکارآمد و غیر عملی می کند. مانع بزرگ دیگر این است که هندسه مولکولی در گیاهان فوق العاده پیچیده و دقیق است - اکثر دستگاه های ساخته شده توسط بشر نمی توانند آن سطح از پیچیدگی را تکرار کنند.
 
ثبات در بسیاری از سیستم های احتمالی فتوسنتز، مسئله است. کاتالیزورهای آلی اغلب تجزیه می شوند یا واکنش هایی اضافی را ایجاد می کنند که می توانند به عملکرد سلول آسیب برسانند. کاتالیزورهای معدنی اکسید فلز یک احتمال خوب هستند، اما آنها باید به اندازه کافی سریع کار کنند تا از فوتون های ریخته شده در سیستم استفاده بهینه کنند. دستیابی به این نوع سرعت کاتالیزوری دشوار است. و برخی از اکسیدهای فلزی که دارای سرعت هستند در جنبه ای دیگر کمبود دارند – فراوانی.
 
در سلول های مدرن حساس به رنگ، مشکل کاتالیزور وجود ندارد. در عوض، این محلول الکترولیت است که پروتون ها را از شکافت مولکول های آب جذب می کند. این جزء ضروری سلول است، اما از حلال های فرار ساخته شده است که می تواند سایر اجزای سیستم را از بین ببرد.
 
پیشرفت های چند سال اخیر شروع به حل این مسائل کرده است. اکسید کبالت یک اکسید فلزی پایدار، سریع و فراوان است. محققان در سلول های حساس به رنگ، یک راه حل مبتنی بر حلال برای جایگزینی مواد خورنده ارائه کرده اند.
 
تحقیقات در مورد فتوسنتز مصنوعی در حال برداشت بخار است، اما به این زودی از آزمایشگاه خارج نمی شود. حداقل 10 سال طول می کشد تا این نوع سیستم به واقعیت تبدیل شود، و این یک برآورد بسیار امیدوارکننده است. برخی از افراد مطمئن نیستند که این اتفاق بیفتد. با این وجود، چه کسی می تواند در برابر امید به گیاهان مصنوعی که مانند گیاهان واقعی رفتار می کنند مقاومت کند؟
 

فناوری فتوسنتز مصنوعی در حال ظهور است

 
تصویر: کاتالیزور دندریت نقره ای سه بعدی بر پایه دانه تنگستن بر پایه کربن اعتبار: موسسه علم و فناوری کره (KIST)
 
در واقع محققان کره ای در تلاش هستند تا فناوری فتوسنتز مصنوعی را به واقعیت تبدیل کنند تا به خنثی سازی کربن دست یابند یا هدف انتشار خالص کربن صفر را محقق کنند. همان طور که گفته شد فتوسنتز مصنوعی یک فناوری است که با استفاده از انرژی دریافتی نور خورشید برای تبدیل دی اکسید کربن به ترکیبات با ارزش مانند اتیلن، متانول و اتانول، فتوسنتز طبیعی را تقلید می کند. با این حال، محدودیت های اقتصادی و فنی تنها اجازه داده است که تحقیقات مربوطه در شرایط آزمایشگاهی پیشرفت کند. این تحقیقات در زمینه های تحقیقات سلول های خورشیدی و تحقیقات تبدیل دی اکسید کربن طبقه بندی می شود. تحقیقات مقیاس کوچک در شرایط آزمایشگاهی در مورد اجرای فتوسنتز مصنوعی نشان می دهد که هنوز موانع زیادی وجود دارد که برای انجام کاربردهای عملی باید بر آنها غلبه کرد.
 
گزارش شده که تیم تحقیقاتی به سرپرستی دکتر هیونگ سوک اوه و دکتر وانگ هی لی از مرکز تحقیقات انرژی پاک در مؤسسه علم و فناوری کره با همکاری دکتر جا سو سو یو از دانشگاه کیونگ هی، اندازه نانومتری را توسعه داده اند. الکترودهای کاتالیزور تنگستن - نقره که به شکل شاخه ای هستند می توانند مونوکسید کربن را با بازدهی بالا از سیستم تبدیل الکتروشیمیایی دی اکسید کربن به دست آورند. این ها همچنین می توانند برای ترکیب سیستم تبدیل دی اکسید کربن با سلول های خورشیدی سیلیکون برای دستیابی به یک سیستم فتوسنتز مصنوعی در مقیاس بزرگ که می تواند در محیط های واقعی خورشیدی کار کند، مورد استفاده قرار گیرد.
 برای بازآفرینی فتوسنتز که گیاهان کامل کرده اند، یک سیستم تبدیل انرژی باید بتواند دو کار مهم را انجام دهد (احتمالاً در داخل نوعی نانولوله که به عنوان "برگ" ساختاری عمل می کند): جمع آوری نور خورشید و شکافت مولکول های آب.کاتالیزور توسعه یافته را می توان در سیستم های تولید مونوکسید کربن که با تبدیل دی اکسید کربن گازی به مونوکسید کربن عمل می کنند، اعمال کرد. این ها بیش از 60 درصد افزایش عملکرد مونوکسید کربن را نسبت به کاتالیزور نقره معمولی نشان داده اند و حتی پس از 100 ساعت آزمایش ثابت ماندند. علاوه بر این، افزایش کارایی و دوام قبلی از دیدگاه مواد کاتالیزور با استفاده از میکروسکوپ الکترونی و تجزیه و تحلیل بلادرنگ مورد مطالعه قرار گرفت و مشخص شد که ساختار سه بعدی کاتالیزور و ساختار کریستالی شاخه ای شکل به پربازده بودن کمک می کنند.
   
تصویر: تصویرسازی فرآیند سنتز. اعتبار: موسسه علم و فناوری کره (KIST)
 
در ادامه محققان از کاتالیزور مذکور برای توسعه یک سیستم فتوسنتز مصنوعی با ترکیب یک سیستم تبدیل دی اکسید کربن با 120 سانتیمتر مربع سلول های خورشیدی سیلیکونی تجاری استفاده کردند و این سیستم بدون مشکل کار کرد. این سیستم راندمان تبدیل نور خورشید به ترکیب در حد 12.1 درصد را نشان می دهد که بالاترین مقدار گزارش شده برای تمام سیستم های فتوسنتز مصنوعی بر اساس سلول های خورشیدی سیلیکونی است که تا به امروز توسعه یافته است. این سیستم همچنین موفق به تبدیل دی اکسید کربن به مونوکسید کربن با راندمان بالا فقط در حضور نور خورشید در محیط بیرونی شد.
 
دکتر هیونگ سوک اوه از KIST گفت که آنها "یک سیستم فتوسنتز مصنوعی معنی دار ایجاد کردند که مستقیماً از طریق نور خورشید در محیط های خورشیدی با استفاده از سلول های خورشیدی سیلیکونی تجاری عمل می کند. اگر بر اساس این مطالعه بتوان از فناوری فتوسنتز مصنوعی با کارایی بالا استفاده کرد، ما می توانیم با تبدیل دی اکسید کربن حاصل از کارخانه های فولادسازی و پتروشیمی به مونوکسید کربن، انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش دهیم و می توانیم ترکیبات شیمیایی اساسی تولید شده در کارخانه های پتروشیمی را از طریق روش فتوسنتز مصنوعی تولید کنیم که همزمان مستلزم خنثی شدن کربن است. "نتایج این مطالعه در جدیدترین شماره Applied Catalysis B: Environmental منتشر شده است.
 
منبع: جولیا لایتون، .howstuffworks، National Research Council of Science & Technology