ЕлектроВісті - Штучний фотосинтез: революція в сонячній енергетиці, але пізніше. Як і навіщо розвиваються технології штучного фотосинтезу Штучний фотосинтез і отримання енергії

Матеріал з Вікіпедії - вільної енциклопедії

штучний фотосинтез- спроби відтворення природного процесу фотосинтезу. При цьому під впливом електромагнітного випромінюваннявидимого спектру вода і діоксид вуглецю перетворюються в молекулярний кисень і глюкозу. Іноді до штучного фотосинтезу відносять поділ води на водень і кисень під впливом сонячної енергії.

Дослідження спрямовані на реалізацію різновиди фотосинтезу, пов'язаної з розкладанням води на водень і кисень. Цей процес є першою стадією фотосинтезу в рослинах (світлозалежна фаза). Конверсія діоксиду вуглецю не вимагає впливу світла. Водень, отриманий на першій стадії штучного фотосинтезу може бути використаний в водневих двигунах для генерування «чистої» енергії.

Светонезавісімая реакція ( «темновая фаза», Цикл Кальвіна) є другою стадією фотосинтезу, в ході якої діоксид вуглецю конвертується в глюкозу. Глюкоза є джерелом енергії, що забезпечує зростання рослин. Передбачається, що цей процес, відтворений в промислових масштабах, допоможе протистояти глобальному потеплінню. Светонезавісімая стадія фотосинтезу може бути використана для поглинання надлишкової кількості вуглекислого газу з атмосфери. Однак такий процес буде вимагати значних джерел енергії, як це відбувається при фотосинтезі в рослинах.

Примітки

) — процес конверсії світлової енергії в хімічну з використанням синтетичних супрамолекулярних нанорозмірних систем.

опис

Для сталого розвитку людства до 2050 р необхідно виробляти 10 ТВт / год «чистої» енергії, не пов'язаної з виділенням парникових газів. Найперспективніший спосіб отримання «чистої енергії» - використання сонячного випромінювання. Існує три основних способи застосування наноструктур для конверсії сонячної енергії: 1) штучний фотосинтез з використанням донорно-акцепторних супрамолекулярних ансамблів і кластерів; 2) фотокаталітичне виробництво водню; 3) сонячні батареї на основі наноструктурних.

Штучна фотосистема для перетворення світлової енергії в хімічну повинна, як і природна, містити три основних компоненти - фотоантенну, реакційний центр і систему зберігання енергії. Фотоантенна поглинає енергію світла, а вже потім передає її в реакційний центр, в якому відбуваються хімічні реакції. У фотосистемою вищих рослин і ціанобактерій таку роль відіграють молекули.

У природних фотосистемою параметри всіх трьох компонентів - просторові, електронні, кінетичні і термодинамічні - оптимізовані для досягнення максимального квантового виходу. У штучних фотосистемою, крім високого квантового виходу, треба досягти якомога більшої частки конверсії світлової енергії в хімічну. При дизайні кожного з цих компонентів треба відповісти на два головних питання: 1) з яких речовин - хромофоров, - вони повинні складатися; 2) як зібрати ці речовини в єдину працюючу систему? Фактично, необхідно вибрати «будівельні блоки» і придумати спосіб їх з'єднання між собою.

Найпростіше це завдання вирішується для штучних фотоантенн (див. Також). Як хромофоров вибирають металлопорфиринов - тетрапіррольних комплекси металів, а також їх похідні. Найбільш популярні порфірини з іонами цинку, магнію і платинових металів, а також вільні порфірини, в яких центральний атом металу відсутній. Порфірини з'єднують в єдину фотоантенну методами, т. Е. У вигляді нековалентних взаємодій, або за допомогою ковалентних зв'язків (рис.). Варіюючи просторову структуру антени і склад бічних ланцюгів порфіринів, можна управляти потоком енергії по антені.

Сучасний стан проблеми штучного фотосинтезу таке, що принципово вирішене питання синтезу окремих вузлів фотосистеми (фотоантенни, реакційного центру і системи зберігання енергії) і їх з'єднання один з одним. Завдання тепер полягає в тому, щоб покращувати характеристики цих систем, зберігши їх основна перевага перед природними - простоту організації.

ілюстрації

Автор

• Єрьомін Вадим Володимирович

джерела

1. Kamat Prashant V. Meeting the Clean Energy Demand: Nanostructure Architectures for Solar Energy // J. Phys. Chem. C. 2007. V. 111. P. 2834-2860.
2. Gust D., Moore T. A., Moore A. L. Mimicking Photosynthetic Solar Energy Transduction // Acc. Chem. Res. 2001. V. 34. P. 40-48.
3. Martin N., Sanchez L., Herranz M. A. et al. Electronic Communication in Tetrathiafulvalene (TTF) / C60 Systems: Toward Molecular Solar Energy Conversion Materials? // Acc. Chem. Res. 2007. V. 40. P. 1015-1024.

У 1976 році д-рДжозеф Кац, з Aragon Nat., Штат Іллінойс, США, створив "штучний лист", так назвала преса відкриття штучного фотосинтезу.

Насправді йшлося про паливному елементі, зробленому під час однієї зі стадій фотосинтезу, а саме тієї, в якій фотони стикаються з хлорофілом, сприяючи викиду електронів. Відкриття є джерелом дешевої енергії з води і хлорофілу, а також джерелом водню, який вважають ідеальним паливом. У той же час воно являє собою важливий крок на шляху штучного синтезу органічних речовин (вуглеводів і жирів).

Фотосинтез - це процес, в ході якого, використовуючи світло як джерело енергії, рослини синтезують з вуглецю, що відбувається з простих неорганічних речовин (діоксид вуглецю), складні органічні речовини. Операція проходить в спеціалізованих клітинних органелах, які називаються хлоропластами, які містять необхідний для здійснення дії зелений пігмент - хлорофіл. Процес є надзвичайно складним.

На першому етапі фотосинтезу хлорофіл поглинає фотони світла з сонячного випромінювання і у відповідь виробляє еквівалентну кількість електронів. Ці електрони призводять до утворення ферментів, необхідних для здійснення подальших стадій фотосинтезу. Хлорофіл відновлює електрони в молекулах води в ході процесу, званого фотоліз води, що проходить за участю одного з раніше сформованих ферментів, каталізувати структурами, що містять атоми марганцю і кальцію. Молекули води розщеплюються на іони водню і кисню; водень бере участь в хімічних реакціях, що призводять до утворення молекул АТФ, а кисень виділяється в атмосферу і використовується незліченними організмами для дихання.

На другому етапі рослини поглинають з атмосфери і за допомогою ряду ферментів в ланцюзі складних операцій будують з вуглецю, виділеного з CO2, такі вуглеводи, як сахароза або крохмаль, а з них і інші органічні речовини.

В даному процесі важлива його ефективність: майже нічого не втрачається, біохімічні цикли працюють з великою швидкістю і точністю, які здаються неправдоподібними, ферменти постійно переробляються і відроджуються.

Фотосинтез є феноменом, який не дивлячись на вивченість до найдрібніших деталей, як і раніше є дивом.

Нещодавно група дослідників з Массачусетського технологічного інституту (MIT) під керівництвом професора Даніеля Г. Nocera оголосила, що вона отримала те, що вони називають "першим штучним листом": сонячну міні-панель розміром з гральну карту, з недорогого, стабільного і стійкого до зносу напівпровідникового матеріалу, покритого сполуками каталізаторів, який при зануренні у воду, імітує процес фотосинтезу з високим ступенем ефективності.

Фотосинтез - це перетворення енергії сету в хімічну енергію. Під впливом електромагнітного випромінювання видимого спектру вода і діоксид вуглецю перетворюються в молекулярний кисень і глюкозу, так само відбувається поділ води на водень і кисень.

Тим самим штучний фотосинтез має два напрямки, завдання:

• Перетворення вуглекислого газу з атмосфери (боротьба з парниковим ефектом, забрудненнями і як побічний продукт - паливо та інші сполуки).
• Отримання з води водню, який буде використаний для отримання електроенергії та як паливо.

Штучний фотосинтез став можливим завдяки застосуванню штучних нанорозмірних супрамолекулярних систем.

Перетворення вуглекислого газу

Принцип роботи системи штучного фотосинтезу має на увазі перетворення атмосферного вуглекислого газу в органічні сполуки за допомогою енергії світла.

Отримані хімічні освіти в подальшому будуть використовуватися для виробництва палива, різних видівпластмас і фармацевтичних препаратів. Крім енергії сонця, хімічна реакціяне вимагає додаткових джерел живлення.

Технологія штучного фотосинтезу дозволяє перетворити вуглекислий газ в метанол. Інноваційна система приводиться в дію спеціальними бактеріями і енергією сонячного світла. Ця розробка дозволить людству скоротити обсяги використання викопних видів енергоносіїв - вугілля, нафти і природного газу.

Технологія перетворення CO2 в промислових масштабах повинна змінити багато негативні з екологічної точки зору процеси на планеті. У чатсності за цим напрямком багато фахівців бачать спосіб боротьби з глобальним потеплінням.

Варіант установки штучного фотосинтезу

У процесі природного фотосинтезу листя за допомогою енергії сонця переробляють вуглекислий газ, яка реагує з водою і формує біомасу рослини. В системі штучного фотосинтезу, нанопроводи з кремнію і двоокису титану отримують сонячну енергію і доставляють електрони бактеріям Sporomusa ovata, завдяки чому вуглекислий газ переробляється і вступає в реакцію з водою, даючи на виході різні хімічні речовини, в тому числі - ацетати.

Генетично модифіковані бактерії Escherichia coli здатні трансформувати ацетати і оцтову кислоту в складні органічні полімери, які є «стандартними блоками» для отримання соєвого молока РНВ, ізопрену і биоразлагаемого n-бутанолу. Отримані сполуки входять до складу поширених хімічних продуктів - від лакофарбових матеріалів до антибіотиків.

штучний лист

Зусиллями англійського вченого Джуліана Мелкіоррі був розроблений синтетичний лист, здатний виконувати функції фотосинтезу. Штучний зелений лист використовує хлоропласти, отримані зі звичайних рослин. Відповідно до технології, хлоропласти поміщені в білкову середу, завдяки якій вони рівномірно розподіляються по товщі рідини і не коагулюють. Передбачається, що дана розробка буде використовуватися в міських умовах для виробництва кисню. Не виключено, що синтетичний лист знайде застосування і в сфері космічних досліджень.

Подібний симбіоз напівпровідникових елементів з живими організмами може стати фундаментом для подальшої розробки програмованої системи фотосинтезу, яка буде виробляти широкий ряд органічних речовин, використовуючи для цього тільки сонячну енергію. Якщо майбутня система буде коректно працювати, людство зможе створювати пластмасу і пальне паливо буквально з повітря.

Енергія з фотосинтезу

Як і природні перетворювачі сонячної енергії, штучні фотосистеми повинні складатися з таких компонентів:

• Уловлювач сонячного випромінювання,
• Центр проведення реакцій,
• Засіб зберігання отриманої енергії.

Найважливіше завдання, яке вирішують в лабораторіях - підвищення ККД штучного фотосинтезу.Тому значна частина роботи зводиться до пошуку оптимальних матеріалів для створення кожного з перерахованих вище блоків.

Систему штучного фотосинтезу з високим ККД і нанорозмірів чекають в робототехніці, зокрема в сфері створення нанороботів, де питання забезпечення енергією один з ключових.

Компактні установки для отримання енергії з фотосинтезу імовірно замінять сонячні батареї і вітряки на будинках з нульовим споживанням, а також мають перспективи для інтеграції в системи розумного будинку, спеціалізовані на енергетичне самозабезпечення.

Природні праноеди, Акінфєєв проти фотосистеми-1, бактерії-хіпі і бактерії в обладунках, псевдокуби, штучні листя і дерева, гонки рослин і вчених, біологія як найбільший в світі хімік і фотосинтез як він є - в докладному огляді сайт.

Запаси нафти не вічні, і ми вже писали про альтернативні способи отримання вуглеводнів. Окремо в списку цих способів варто штучний фотосинтез - вироблення органічного пального з вуглекислого газу за допомогою сонячної енергії.

природне праноеденіе

Нас всюди оточують справжні праноеди, що б не говорили здоровий глузд і лікарі. Основна їхня їжа - вода і повітря, сіль землі і, звичайно, енергія космосу. Сонячний промінь, трохи речовин із ґрунту, вуглекислий газ - і вони відчувають себе відмінно. Кожен з вас бачив таких, і не одного. Можливо, праноеди прямо зараз знаходяться поруч з вами - стоять в горщику на підвіконні або стукають гілкою в вікно.

Легко здогадатися, що мова йде про рослини. Їм (а також деяким бактеріям) вдається з води (H₂O), вуглекислого газу (СO₂) і кванта сонячного світла отримувати органіку, вуглевод глюкозу (C₆H₁₂O₆), і енергію за допомогою фотосинтезу. Якщо ви знаєте цей процес в деталях, можете пропустити цей і наступний главки і перейти до опису досягнень науки в області штучного фотосинтезу, а якщо немає - саме час розібратися.

Фотосинтез найчастіше відбувається в хлоропластах. Хоча, якщо ви бактерія і у вас їх немає, ще не все втрачено (правда, в такому випадку фотосинтез для вас може бути безкисневим, так що Грінпіс вас б не похвалив). Хлоропласти - «електростанції» рослинної клітини, оточені двошаровою оболонкою-мембраною. Вчені вважають, що вони походять від ціанобактерій, яких поглинула якась давня клітина з ядром, але не стала розщеплювати, а вступила з ними в симбіоз. Усередині хлоропластів є стопки плоских мембранних мішечків-тилакоидов (саме це слово походить від грецького thylakos - «мішечок»). Ці стопки називаються гранами (що на латині означає «стопка монет»), і вони з'єднані між собою більш довгими тилакоїди - ламелами.

Хлоропласти при збільшенні в 40 разів

Wikimedia Commons

В мембрани тилакоїдів вбудовані спеціальні пігменти - хлорофіли декількох типів, які мають зелене забарвлення, так як відображають зелене світло, а синьо-фіолетовий і червоний поглинають. «Головка» молекули хлорофілу містить атом магнію і розгорнута в бік водного середовища, а «хвіст», навпаки, гідрофобний ( «боїться» води) і тримає молекулу в мембрані. Хлорофіли організовані в фотосистеми I або II типу, що відрізняються перевагами до світла певного спектру і довжини хвилі (оптимум другої системи зміщений в більш червону область і становить 700 нм, а першої - 680 нм). У центрі кожної фотосистеми розташована молекула хлорофілу a, Якої інші молекули хлорофілу в фотосистемі, звані антенними, як хорошому нападаючому, передають паси - вловлені ними кванти світла.

Хлорофіл ефективніше Акінфєєва, але цього мало

Перша фаза фотосинтезу проходить на світлі, тому її називають світловий. Кванти світла збуджують електрони хлорофілу, які через це залишають молекулу і «тікають» на зовнішню сторону мембрани тилакоида. Оскільки електрони мають негативний заряд, місце, де вони зібралися, стає негативно зарядженим. Без електронів хлорофіли довго не нудьгують - вони відбирають їх у води, яка через це розпадається на OH⁻ і H⁺ (протони, позитивно заряджені частинки), а потім - на водень і воду. В результаті кисень виділяється, а протони накопичуються всередині тилакоидов.

Як ми пам'ятаємо, зовні тилакоїди через електронів заряджені негативно, а позитивний і негативний заряди притягуються. Щоб з'єднатися з бажаними електронами, протони H⁺ повинні пройти через білок-канал в мембрані, який називається АТФ-синтаза. Падаючи на нього, вони як би обертають турбіну, допомагаючи АТФ-синтази виправдовувати свою назву і з АДФ (аденозіндіфосфорной кислоти) синтезувати АТФ (аденозинтрифосфорну кислоту), головну формузберігання енергії в клітині, яка при відщепленні від неї фосфатів (всього їх три, тому АТФ так і називається) виділяє багато енергії. Потім атоми водню, які нарешті з'єдналися з електронами, приймає на себе спеціальний переносник, який скорочено називається НАДФ (в повному варіанті- нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат, але в більшості випадків заучування цього слова може стати в нагоді тільки для того, щоб валити в трепет особливо вразливих знайомих).

У темновой фазі, яка може відбуватися і без участі світла, вуглекислий газ перетворюється в глюкозу та інші органічні речовини. Спочатку CO₂ фіксується пятиуглеродного цукром (рібулозобіфосфатом) під дією ферменту (рібулозобіфостфат-карбоксилази), утворюючи нестійкий шестіуглеродних з'єднання. Воно відразу ж розпадається на дві молекули фосфоглицериновой кислоти, що містить три молекули вуглецю. Потім слід цикл реакцій, званий циклом Кальвіна, в ході якого використовуються АТФ і НАДФ * Н2, які були накопичені в світловий фазі.

До чого був цей розлогу розповідь? У кожній з цих фаз відбуваються великі втрати енергії, що сильно знижує ефективність природного фотосинтезу як процесу. При поглинанні енергії фотонів (з урахуванням того, що уловлюються не всі фотони і тільки частина світлового потоку проходить через фотосинтезуючі частини листа) втрачається близько 63% енергії. Це не так вже й мало. Можна продовжити аналогію між роботою фотосистем і грою в футбол, назвавши хлорофіл aворотарем квантів (до речі, в Росії навіть є аматорський футбольний клуб таким з назвою - в наукомісті Обнінську). Якщо для полегшення підрахунків дуже грубо знизити ймовірність голів до одного на матч, хлорофіл все одно вловлює фотони на 22,2% краще, ніж російський воротар Ігор Акінфєєв - м'ячі.

Частина енергії фотонів (квантів світла) втрачається через принципу каравану, коли високоенергетичні фотони поглинаються заодно з низькоенергетичними. 9% від загальної кількості енергії втрачається при синтезі глюкози, потім ще 3% витрачається на очищення листа від побічних продуктів фотосинтезу.

Паростки зелених технологій

Вчені шукають шляхи отримання систем, які були б більш продуктивні, ніж рослини, щоб отримувати відповідне пальне (і навіть не вимагають змін інфраструктури заправок і фундаментальної перебудови автомобільної промисловості), при створенні якого промисловість буде приносити користь навколишньому середовищу, Переробляючи накопичується в атмосфері вуглекислий газ.

Технології, які дозволяють синтезувати паливо з вуглекислого газу без втручання живих організмів, часто засновані на рутенієвому каталізаторі, який був відкритий в 2014 році. Цей каталізатор дозволяє синтезувати метан (CH₄; найважливіший компонент природного газу) з водню (H₂) і вуглекислого газу (CO₂), однак швидкість синтезу - всього один миллимоль метану на грам каталізатора на годину. Цього літа хіміки з Базеля навіть запропонували вставляти атоми рутенію в складні надмолекулярних структури, які будуть «наглядати» за цінним каталізатором і лагодити його, оберігаючи від повного руйнування, але ефективність каталізатора все ще залишає бажати кращого.

Інший шлях - використання природних білків-пігментів фотосистеми I в сонячних батареях. У клітці ці білки, як ми вже писали, знаходяться в ліпідної мембрані. Вона допомагає фотосистемі I «тримати лад» і виступає «ізоляцією». Замінити цю мембрану пропонують пептидом - коротким ланцюжком з шести амінокислот-аланіну і однієї амінокислоти лізину. Поліпшити поглинання світла такою батареєю допомагають нанопокриття - ряди стрижнів з оксиду цинку або губчасті структури з оксиду титану. Однак ці технології поки не вийшли на рівень, коли комерційне виробництво стає доцільним. До того ж вони допомагають отримувати електрику, а не паливо, що менш ефективно і вимагає перетворення всієї інфраструктури, якщо ми раптом захочемо перейти на електромобілі.

Тому зараз вчені все більше схиляються до гібридних технологій, які використовують живі одноклітинні організми (як не дивно, зазвичай нефотосинтезуючі, але вміють фіксувати CO₂) для синтезу органічних сполук, які можна легко переробити в паливо.

Продовження огляду читайте