Rochester Üniversitesi araştırmacıları tarafından oluşturulan sistem, ışık emiciler için yarı iletken nanokristaller ve sisteme elektron vermek için katalizörler ve bakteriler kullanarak fotosentezi taklit eder. Sistem suya daldırılır ve ışıkla çalıştırılır. Bakteriler (büyük çubuklar), hidrojen gazı (H2, kabarcıklar) yapmak için nanopartikül katalizörlerle (küçük turuncu noktalar) etkileşime girer. Kredi: Rochester Üniversitesi çizimi / Michael Osadciw
Rochester Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, fotosentez sürecini taklit etmek ve temiz yanan hidrojen yakıtı üretmek için bakteri ve nanomalzemelerin gücünden yararlanıyor.
{ 8}Temiz, sürdürülebilir enerjiye yönelik küresel ihtiyaç yoğunlaşırken, bilim insanları fotosentez sürecinden ilham alıyor. Temiz hidrojen yakıtı oluşturmak için yenilikçi, çevre dostu yöntemler tasarlamayı amaçlayan Rochester Üniversitesi’ndeki bir araştırma ekibi, elektronları bir nanokristal yarı iletken fotokatalizöre iletmek için bakterileri kullanarak fotosentezi yapay olarak taklit etmek için devrim niteliğinde bir proje başlatıyor.
Yakın zamanda Proceedings of the National Academy of Sciences’da yayınlanan bir çalışmada, Rochester’da Kimya Profesörü Richard S. Eisenberg Kara Bren ve kimya profesörü Todd Krauss, Shewanella oneidensis bakterisinin bir maliyet olarak hizmet edebileceğini ortaya koyuyor. yapay fotosentez sistemleri için etkili ve verimli elektron kaynağı.
Bu mikroorganizmaların benzersiz özelliklerinden nanomalzemelerle birlikte yararlanan sistem, hidrojeni fosil yakıtlardan türeten mevcut yaklaşımların yerini alma potansiyeline sahiptir ve hidrojen yönteminde devrim yaratmaktadır. yakıt üretiliyor ve güçlü bir yenilenebilir enerji kaynağı ortaya çıkıyor.
“Hidrojen şu anda DOE için kesinlikle yüksek ilgi gören bir yakıt,” diyor Bren. “Hidrojeni sudan verimli bir şekilde çıkarmanın bir yolunu bulabilirsek, bu, temiz enerjide inanılmaz miktarda büyümeye yol açabilir.”
‘İdeal bir yakıt’
Hidrojen, “bir ideal yakıt,” diyor Bren, “çünkü çevre dostu ve fosil yakıtlara karbon içermeyen bir alternatif.”
Hidrojen, evrende en bol bulunan elementtir ve su da dahil olmak üzere çeşitli kaynaklardan üretilebilir. , doğal gaz ve biyokütle. Sera gazları ve diğer kirleticiler üreten fosil yakıtların aksine, hidrojen yandığında tek yan ürün su buharıdır. Hidrojen yakıtı ayrıca yüksek bir enerji yoğunluğuna sahiptir, bu da ağırlık birimi başına çok fazla enerji içerdiği anlamına gelir. Yakıt hücreleri de dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda kullanılabilir ve hem küçük hem de büyük ölçeklerde yapılabilir, bu da evde kullanımdan endüstriyel üretime kadar her şey için uygun hale getirir.
Hidrojen kullanmanın zorlukları{10 }
Hidrojenin bolluğuna rağmen, Dünya üzerinde neredeyse hiç saf hidrojen yoktur; hidrokarbonlar ve su gibi bileşiklerde neredeyse her zaman karbon veya oksijen gibi diğer elementlere bağlıdır. Hidrojeni bir yakıt kaynağı olarak kullanmak için bu bileşiklerden çıkarılmalıdır.
Bilim adamları tarihsel olarak hidrojeni ya fosil yakıtlardan ya da daha yakın zamanlarda sudan çıkardılar. İkincisini başarmak için, yapay fotosentez kullanmak için büyük bir baskı vardır.
Doğal fotosentez sırasında bitkiler, karbondioksit ve suyu glikoz ve oksijene dönüştürmek için kimyasal reaksiyonlara güç sağlamak için kullandıkları güneş ışığını emer. Özünde, ışık enerjisi, organizmayı besleyen kimyasal enerjiye dönüştürülür.
Benzer şekilde, yapay fotosentez, bol miktarda ham maddeyi ve güneş ışığını kimyasal bir yakıta dönüştürme işlemidir. Fotosentezi taklit eden sistemler üç bileşen gerektirir: bir ışık soğurucu, yakıtı yapmak için bir katalizör ve bir elektron kaynağı. Bu sistemler tipik olarak suya daldırılır ve bir ışık kaynağı, ışık soğurucuya enerji sağlar. Enerji, katalizörün sağlanan elektronları çevredeki sudan gelen protonlarla birleştirerek hidrojen gazı üretmesine olanak tanır.
Bununla birlikte, mevcut sistemlerin çoğu, üretim sürecinde fosil yakıtlara dayanır veya fosil yakıtlara sahip değildir. elektron aktarmanın etkili bir yolu.
“Hidrojen yakıtının üretilme şekli artık onu etkin bir şekilde fosil yakıt yapıyor,” diyor Bren. “Gerçekten temiz bir yakıt elde etmek için sudan hafif bir reaksiyonla hidrojen elde etmek istiyoruz ve bunu, bu süreçte fosil yakıtları kullanmayacak şekilde yapıyoruz.”
Rochester’ın benzersiz sistemi
Krauss’un grubu ve Bren’in grubu, yapay fotosentez kullanan ve ışık emiciler ve katalizörler için yarı iletken nanokristaller kullanan verimli bir sistem geliştirmek için yaklaşık on yıldır çalışıyor.
Araştırmacıların karşılaştığı zorluklardan biri, bunu çözmekti. bir elektron kaynağından çıkar ve elektronları elektron donöründen nanokristallere verimli bir şekilde aktarır. Diğer sistemler, elektronları sisteme geri vermek için yaygın olarak C vitamini olarak bilinen askorbik asit kullanmıştır. Krauss, C vitamini ucuz gibi görünse de, “neredeyse bedava olan bir elektron kaynağına ihtiyacınız var yoksa sistem çok pahalı olur” diyor.
Kağıtlarında, Krauss ve Bren beklenmedik bir elektron vericisinden bahsediyor: bakteri . İlk olarak New York’un taşrasındaki Oneida Gölü’nden toplanan bakteri olan Shewanella oneidensis’in, sistemlerine elektron sağlamak için etkili bir şekilde ücretsiz ancak verimli bir yol sunduğunu keşfettiler.
Diğer laboratuvarlar nanoyapıları ve bakterileri birleştirirken, “hepsi Bu çabalardan biri, nanokristallerden elektronları alıp bakterilerin içine yerleştirmek ve ardından yakıt hazırlamak için bakteri mekanizmasını kullanmaktır,” diyor Bren. “Bildiğimiz kadarıyla bizimki ters yöne giden ve bakterileri bir nanokristal katalizör için elektron kaynağı olarak kullanan ilk vaka.”
Bakteriler anaerobik koşullar altında (oksijensiz koşullar) büyüdüklerinde solunum yaparlar. yakıt olarak hücresel maddeler, süreçte elektronları serbest bırakır. Shewanella oneidensis kendi iç metabolizması tarafından üretilen elektronları alabilir ve bunları harici katalizöre bağışlayabilir.
Geleceğin yakıtı
Bren, gelecekte bireysel evlerin potansiyel olarak teknelere sahip olabileceğini düşünüyor. ve küçük miktarlarda hidrojen üretmek ve depolamak için güneşin gücünden yararlanan yer altı tankları, insanların evlerine ve arabalarına ucuz, temiz yanan yakıtla güç sağlamalarına olanak tanıyor. Bren, şu anda hidrojen yakıt hücreleriyle çalışan trenler, otobüsler ve arabalar olduğunu ancak bu sistemlere güç sağlamak için mevcut olan hidrojenin neredeyse tamamının fosil yakıtlardan geldiğini belirtiyor.
“Teknoloji orada,” diyor, ” ancak hidrojen, fosil yakıt kullanmadan sudan hafif bir reaksiyonla gelene kadar, çevreye gerçekten yardımcı olmuyor.”
Referans: “Shewanella oneidensis MR-1, fotokatalitik hidrojen için CdSe kuantum noktalarını solur evrimi” yazan Emily H. Edwards, Jana Jelušić, Ryan M. Kosko, Kevin P. McClelland, Soraya S. Ngarnim, Wesley Chiang, Sanela Lampa-Pastirk, Todd D. Krauss ve Kara L. Bren, 17 Nisan 2023, Proceedings of Ulusal Bilimler Akademisi.
DOI: 10.1073/pnas.2206975120
Çalışma ABD Enerji Bakanlığı tarafından finanse edilmiştir.