Araştırmacılar, ışığı kullanarak sudaki karbondioksiti metana dönüştüren, doğal bir kloroplastı taklit eden verimli bir yapay fotosentetik sistem geliştirdiler. Bu atılım, karbon nötr yakıt üreterek ve sudaki ışığa duyarlılaştırıcı kararlılığı ve seçiciliğiyle geçmişteki zorlukların üstesinden gelerek karbon nötrlüğe katkıda bulunabilir.
Hong Kong Şehir Üniversitesi’nden (CityU) ve ortak çalışanlardan ortak bir araştırma ekibi yakın zamanda doğal fotosentezden daha verimli olan kararlı bir yapay fotokatalitik sistem geliştirdi. Doğal bir kloroplastı kopyalayan yeni geliştirilen sistem, ışığı çok verimli bir şekilde kullanarak sudaki karbondioksiti faydalı bir yakıt olan metana dönüştürebiliyor. Bu, karbon nötrlüğünün elde edilmesine yönelik potansiyel katkıları olan önemli bir atılımı temsil eder.
Bağlam açısından bakıldığında, fotosentez, bitkilerdeki ve belirli organizmalardaki kloroplastların yiyecek veya enerji üretmek için güneş ışığını, suyu ve karbondioksiti kullandığı mekanizmadır. Son birkaç on yılda çok sayıda araştırmacı, karbondioksiti karbon nötr yakıta dönüştürmek amacıyla sentetik fotosentez süreçleri yaratmaya çalıştı.
“Ancak, birçok ışığa duyarlı hale getirici veya ortak çalışmanın liderlerinden biri olan CityU’da Kimya Bölümü’nde Doçent olan Profesör Ye Ruquan, “katalizörler suda bozulur” dedi. “Yapay fotokatalitik döngülerin daha yüksek içsel verimlilikle çalıştığı gösterilmiş olsa da, karbondioksit azaltımı için sudaki düşük seçicilik ve kararlılık, pratik uygulamalarını engellemiştir.”
Hiyerarşik bir kendi kendine montaj fotokatalitik sistem (solda), Rhodobacter sphaeroides (sağda) adı verilen mor bir bakterinin doğal fotosentez aparatını taklit ederek karbondioksiti metana dönüştürürken %15 güneşten yakıta verimlilik sağlıyor. Kaynak: (solda) Profesör Ye Ruquan’ın araştırma grubu / City University of Hong Kong ve (sağda) Biophysical Journal, 99:67-75, 2010
Son çalışmada, CityU, Hong Kong Üniversitesi (HKU), Jiangsu Üniversitesi ve Çin Bilimler Akademisi’ne bağlı Şanghay Organik Kimya Enstitüsü, yapay bir fotosentetik sistem oluşturmak için supramoleküler birleştirme yaklaşımı kullanarak bu zorlukların üstesinden geldi. Mor bir bakterinin güneşten enerji aktarmada çok verimli olan ışık toplayan kromatoforlarının (yani pigment içeren hücreler) yapısını taklit eder.
Yeni yapay fotosentetik sistemin çekirdeği, son derece kararlı bir yapaydır. nanomisel – hem suyu seven (hidrofilik) hem de sudan korkan (hidrofobik) bir uca sahip, suda kendi kendine birleşebilen bir tür polimer. Nanomiselin hidrofilik kafası, güneş ışığını emmek için bir ışığa duyarlılaştırıcı işlevi görür ve hidrofobik kuyruğu, kendi kendine birleşme için bir indükleyici görevi görür.
Suya yerleştirildiğinde, nanomiseller, moleküller arasındaki moleküller arası hidrojen bağı nedeniyle kendi kendine birleşir. su molekülleri ve kuyruklar. Bir kobalt katalizörü eklemek, fotokatalitik hidrojen üretimi ve karbondioksit indirgemesi ile sonuçlanarak hidrojen ve metan üretimine neden olur.
Profesör Ye Ruquan (ön sıra, orta), Bölümde Doçent Kimya ve Hong Kong Şehir Üniversitesi’ndeki araştırma ekibi. Kredi: Hong Kong Şehir Üniversitesi
Gelişmiş görüntüleme teknikleri ve ultra hızlı spektroskopi kullanan ekip, yenilikçi ışığa duyarlılaştırıcının atomik özelliklerini ortaya çıkardı. Nanomiselin hidrofilik kafasının özel yapısının, su molekülleri ile nanomiselin kuyruğu arasındaki hidrojen bağıyla birlikte onu kararlı, suyla uyumlu yapay bir ışığa duyarlı hale getirdiğini ve yapay fotosentezin geleneksel kararsızlık ve su uyumsuzluğu problemini çözdüğünü keşfettiler. Işığa duyarlı hale getirici ile kobalt katalizörü arasındaki elektrostatik etkileşim ve nanomiselin güçlü ışık toplayan anten etkisi, fotokatalitik süreci iyileştirdi.
Ekip, deneyde metan üretim hızının 13.000 μmol’den fazla olduğunu buldu. h−1 g−1, 24 saatte %5,6’lık bir kuantum verimiyle. Ayrıca, doğal fotosentezi geride bırakarak %15’lik oldukça verimli bir güneşten yakıta verimlilik oranı elde etti.
En önemlisi, yeni yapay fotokatalitik sistem, pahalı değerli kimyasallara dayanmadığı için ekonomik olarak uygulanabilir ve sürdürülebilir. metaller. Profesör Ye, “Sistemin hiyerarşik kendi kendine montajı, çinko ve kobalt porfirin kompleksleri gibi ucuz, Dünya’da bol miktarda bulunan elementlere dayanan hassas bir şekilde kontrol edilen, yüksek performanslı bir yapay fotokatalitik sistem oluşturmak için aşağıdan yukarıya gelecek vaat eden bir strateji sunuyor” dedi. 4}
Hidrojen bağıyla güçlendirilmiş bir nanomisel oluşumu ve bunun güneş enerjisi altında hidrojen üretimi ve karbondioksit azaltımı. Kredi: Profesör Ye Ruquan’ın araştırma grubu / Hong Kong Şehir Üniversitesi
Profesör Ye, en son keşfin güneş enerjisi kullanarak karbondioksit dönüşümü ve azaltımı için geleceğin fotokatalitik sistemlerinin rasyonel tasarımına fayda sağlayacağına ve ilham vereceğine inandığını söyledi , karbon nötr olma hedefine katkıda bulunur.
Referans: “Suda seçici CO2 azaltımı için yapay küresel kromatofor nanomikeller” yazan Junlai Yu, Libei Huang, Qingxuan Tang, Shang-Bo Yu, Qiao-Yan Qi, Jiangshan Zhang, Danying Ma, Yifei Lei, Jianjun Su, Yun Song, Jean-Charles Eloi, Robert L. Harniman, Ufuk Borucu, Long Zhang, Minghui Zhu, Feng Tian, Lili Du, David Lee Phillips, Ian Manners, Ruquan Ye ve Jia Tian, 18 Mayıs 2023, Nature Catalysis.
DOI: 10.1038/s41929-023-00962-z
İlk yazarlar, Shanghai Institute of Organic’den Dr. Yu Junlai’dir. Kimya ve Dr. Huang Libei, CityU Ph.D. İlgili yazarlar HKU’dan Profesör Ye, Profesör David Lee Philips, Jiangsu Üniversitesi’nden Profesör Du Lili ve Şangay Organik Kimya Enstitüsü’nden Profesör Tian Jia’dır.
Çalışma çeşitli finansman kaynakları tarafından desteklenmiştir. Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı, Guangdong Temel ve Uygulamalı Temel Araştırma Fonu, Shenzhen Bilim ve Teknoloji Programı ve Hong Kong Araştırma Hibe Konseyi dahil.