Kuidas Kunstlik Fotosüntees Toimib

{h1}

Kunstlik fotosüntees võimaldab meil üks looduse imetest kopeerida. Külastage WordsSideKick.comit, et teada saada kunstlikust fotosünteesist.

Kui kõige targem energiaallikas on see, mis on rikkalik, odav ja puhas, siis on taimed palju targemad kui inimesed. Mulljardi aasta jooksul arenesid nad ehk maailma kõige tõhusamal toiteallikal: fotosüntees, või päikesevalguse, süsinikdioksiidi ja vee muundamine kasutatavaks kütusena, mis tekitab protsessis kasuliku hapniku.

Taimede (aga ka vetikate ja mõnede bakterite) puhul on "kasutatav kütus" süsivesikud, valgud ja rasvad. Inimesed aga otsivad vedelkütust, et autosse ja elektrit külmkapi joosta. Kuid see ei tähenda, et me ei suuda fotosünteesi otsida, et lahendada meie määrdunud, kallid, kahanevad energiaga seotud hädad. Aastaid on teadlased püüdnud välja töötada sama energia süsteemi, mida taimed kasutavad, kuid muudetud lõpptulemusega.

Energia sisendina ei kasuta päikesevalgust, vaid taimed teevad tohutut energiakonverteri, muutes 1,102 miljardit tonni (1000 miljardit tonni) CO2 Orgaanilist ainet, s.t loomade energiat toidu kujul, igal aastal [allikas: Hunter]. Ja see kasutab ainult 3% päikesevalgust, mis jõuab Maale [allikas: Boyd].

Päikesevalguses kasutatav energia on kasutamata ressurss, mille me oleme hakanud just hakkama saama. Praegune fotogalvaaniliste rakkude tehnoloogia, mis tavaliselt on pooljuhtpõhine süsteem, on kallis, mitte väga tõhus, ja see toob kaasa vaid päikesevalguse ja elektrienergia vahetuse - energiat ei salvestata vihmasel päeval (kuigi see võib muutuda: vt. "Kas on olemas võimalus päikeseenergia saamiseks öösel?"). Kuid kunstlik fotosünteesisüsteem või fotoelektrokeemiline raku, mis jäljendab taimedes toimuvat, võiksid luua lõputu ja suhteliselt odavama kogu puhta gaasi ja elektri, mida me peame oma elus võimule andma - ja ka säilitatavas vormis.

Käesolevas artiklis vaatleme kunstlikku fotosünteesi ja vaadake, kui kaugele see on jõudnud. Me selgitame välja, mida süsteem peab suutma teha, vaadake mõningaid praeguseid kunstfotosütestsuse saavutamise meetodeid ja vaadake, miks pole mõne muu energia konversioonisüsteemiga nii lihtne kujundada.

Niisiis, mida peaks kunstlik fotosünteesisüsteem suutma teha?

Kuidas kunstlik fotosüntees toimib: toimib

Kunstlik fotosünteesi meetodid

Taimede täiustamiseks tekkiva fotosünteesi taastamiseks peab energia muundamise süsteem suutma teha kahte olulist asja (tõenäoliselt seesugust tüüpi nanotube, mis toimib struktuursete "lehtedena"): päikesevalguse saamine ja jagatud vee molekulid.

Taimed täidavad neid ülesandeid, kasutades klorofülli, mis lööb päikesevalgust, ning valkude ja ensüümide kogumist, mis kasutavad seda päikesevalgust H2O-molekulid vesinikku, elektronid ja hapnikku (prootonid). Seejärel kasutatakse süsinikdioksiidi muundamiseks elektronid ja vesinikku2 süsivesikuteks ja hapnik läheb välja.

Selleks, et kasutada kunstlikku süsteemi inimeste vajaduste rahuldamiseks, peab väljund muutuma. Selle asemel, et pärast reaktsiooni lõppu vabastada vaid hapnik, tuleb see vabastada vedel vesinik (või ka metanool). Seda vesinikku saab kasutada otse vedelkütusena või suunata kütuseelementi. Vesiniku tootmine ei ole probleem, sest see on juba olemas veemolekulides. Päikesevalguse hõivamine ei ole probleem - praegused päikeseenergia süsteemid teevad seda.

Raske osa jaotavad vesimolekulid, et saada vesiniku tootmiseks vajaliku keemilise protsessi hõlbustamiseks vajalikud elektronid. Veevarustuse jagamine nõuab energiaravimist umbes 2,5 voltiga [allikas: Hunter]. See tähendab, et protsess vajab katalüsaatorit - midagi selleks, et kogu asi liiguks. Katalüsaator reageerib keemilise reaktsiooni käivitamiseks päikesepunas.

Viimase viie või kümne aasta jooksul on selles valdkonnas tehtud olulisi edusamme. Mõned edukamad katalüsaatorid on järgmised:

  • Mangaan: Mangaan on taimede fotosünteesi südamikus leiduv katalüsaator. Üks mangaani aatom käivitab loodusliku protsessi, milles kasutatakse vee eraldamiseks päikesevalgust. Mangaani kasutamine kunstlikus süsteemis on biomimeetriline lähenemine - see imiteerib otseselt taimedes leiduvat bioloogiat.
  • Värviga sensibiliseeritud titaandioksiid: Titaandioksiid (TiO2) on stabiilne metall, mis võib toimida tõhusa katalüsaatorina. Seda kasutatakse värviga sensibiliseeritud päikesepatareis, mida tuntakse ka kui Graetzeli rakku, mis on olnud umbes kümnendatest aastatest. Graetselli raku sees TiO2 on suspendeerunud värvipartiklite kihis, mis lööb päikesevalgust ja seejärel lasevad selle TiO-le2 reaktsiooni alustamiseks.
  • Koobaltoksiid: Üks hiljuti avastatud katalüsaatoritest on leidnud, et nanoosakeste koobaltioksiidmolekulide (CoO) klastrid on stabiilsed ja tõhusalt käivitavad kunstlikus fotosünteesisüsteemis. Kobaltoksiid on ka väga rikkalik molekul - praegu on see populaarne tööstuslik katalüsaator.

Kui need täiustavad, võivad need süsteemid muuta meie maailma võimet.

Kunstfotosünteesirakendused

NREL teadlane John Turner näitab fotoelektrokeemilise (PEC) elemendi võimet toota vesi vesilahusest valgusallika energia abil.

NREL teadlane John Turner näitab fotoelektrokeemilise (PEC) elemendi võimet toota vesi vesilahusest valgusallika energia abil.

Fossiilkütustel on puudujääke ja nad aitavad kaasa reostusele ja globaalsele soojenemisele. Süsi on küll külluses, väga saastav nii inimesele kui ka keskkonnale. Tuuleturbiinid hävitavad maalilisi maastikke, maisi vajavad suurel hulgal põllumajandusmaad ja praegune päikeseelementide tehnoloogia on kallis ja ebaefektiivne.Kunstlik fotosüntees võib pakkuda uut, võib-olla parimat lahendust meie energiasüsteemist.

Ühel asemel on see kasu fotogalvaanilistele rakkudele, mis on leitud tänapäeva päikesepaneelidest. Päikeseenergia otsene muundamine elektrienergiaks fotogalvaanilistes rakkudes muudab päikeseenergiast ilmastiku- ja aja sõltuva energia, mis vähendab selle kasutatavust ja suurendab selle hinda. Teiselt poolt võib kunstlik fotosüntees tekitada hoiatavat kütust.

Erinevalt enamikust alternatiivenergia genereerimise meetoditest on kunstlik fotosüntees võimalik toota rohkem kui üht tüüpi kütust. Fotosünteesi protsessi saab muuta, nii et valguse, CO-i reaktsioonid2 ja H2Lõpuks tekitab vedel vesinik. Vedelat vesinikku saab vesinikuga töötavatel mootoritel kasutada nagu bensiini. Samuti võiks see viia kütuseelementide seadistamiseni, mis võiks fotosünteesi protsessi tõhusalt ümber pöörata, luues elektri, ühendades vesinikku ja hapnikku vees. Vesinikkütuseelemendid võivad tekitada elektrit nagu võrgust saadavad asjad, nii et me kasutame seda meie kliimaseadmete ja veesoojendite käitamiseks.

Üks suuremahulise vesinikuenergiaga seotud probleem on küsimus, kuidas vedelat vesinikku efektiivselt ja puhasalt genereerida. Tehis fotosüntees võib olla lahendus.

Metanool on veel üks võimalik väljund. Fotosünteesi käigus puhastamata vesiniku eraldumise asemel võib fotoelektrokeemiline rakk toota metanoolikütust (CH3OH). Metanool või metüülalkohol pärineb metaanist looduslikus gaasis ja seda lisatakse tihti kaubanduslikule bensiinile, et see puhtaks põletada. Mõned autod võivad isegi sõita metanooliga üksi.

Võimalus toota puhast kütust ilma kahjulike kõrvalsaaduste, nagu kasvuhoonegaasid tekitamata, muudab kunstliku fotosünteesi ideaalseks keskkonna energiaallikaks. See ei nõua kaevandamist, kasvatamist ega puurimist. Kuna praegu pole vett ega süsinikdioksiidi, siis võib see olla ka piiramatu allikas, mis võib pikas perspektiivis olla odavam kui teised energiaallikad. Tegelikult võib selline fotoelektrokeemiline reaktsioon isegi eemaldada suures koguses kahjulikke CO-sid2 kütuse tootmisel õhust. See on win-win olukord.

Kuid me pole veel seda veel. Masstudil põhineva kunstliku fotosünteesi korral on mitmeid takistusi.

Kunstfosünteesi loomise väljakutsed

Loodus on fotosünteesi protsessi läbi viinud miljardeid aastaid. Seda sünteetilises süsteemis ei saa kopeerida.

Loodus on fotosünteesi protsessi läbi viinud miljardeid aastaid. Seda sünteetilises süsteemis ei saa kopeerida.

Kuigi tehases tehtav fotosüntees töötab laboris, pole see valmis mass tarbimiseks. Roheliste taimedega looduslikult reageerimine ei ole lihtne ülesanne.

Tõhusus on energiatootmises väga oluline. Taimed võtsid miljardeid aastaid fotosünteesi protsessi arendamiseks, mis neile tõhusalt toimib; replitseerides, et sünteesisüsteemis on palju katseid ja vigu.

Mangaan, mis toimib katalüsaatorina taimedes, ei tööta ka mehhaanilises seadistuses, enamasti seetõttu, et mangaan on mõnevõrra ebastabiilne. See ei kesta eriti pikka aega ja ei lahustu vees, muutes mangaanil põhineva süsteemi mõnevõrra ebaefektiivseks ja ebapraktikaks. Teine suur takistus on see, et taimede molekulaarsed geomeetria on erakordselt keerukad ja täpsed - enamik inimese loodud seadistusi ei saa selle keerukuse tasemele kopeerida.

Stabiilsus on paljudes võimalikes fotosünteesisüsteemides probleem. Orgaanilised katalüsaatorid lagunevad sageli või põhjustavad täiendavaid reaktsioone, mis võivad kahjustada rakkude toimimist. Anorgaanilised metalloksiidkatalüsaatorid on hea võimalus, kuid nad peavad töötama piisavalt kiiresti, et efektiivselt ära kasutada süsteemis valatud fotoneid. Seda tüüpi katalüütiline kiirus on raske tulema. Ja mõnel muul alal puuduvad mõningad metalloksiidid, mille kiirus on - arvukus.

Praeguses kaasaegses värviga sensibiliseeritud rakkudes ei ole probleem mitte katalüsaator; Selle asemel on see elektrolüütide lahus, mis absorbeerib prootoneid jagatud vee molekulidest. See on oluline osa rakust, kuid see on valmistatud lenduvatest lahustitest, mis võivad süsteemi teisi komponente halvendada.

Viimaste aastate edusammud on hakanud käsitlema neid probleeme. Kobaltoksiid on stabiilne, kiire ja rikkalik metalloksiid. Värvainega sensibiliseeritud rakkude teadlastel on söövitavate ainete asemel välja töötatud solventeerimata lahus.

Kunststoomise fosinteesi uurimine on aurustunud, kuid see ei lähe kohe varsti. Enne seda tüüpi süsteemi on reaalsuseks vähemalt 10 aastat [allikas: Boyd]. Ja see on üsna loodetav hinnang. Mõned inimesed pole kindlad, et seda kunagi juhtuks. Siiski, kes suudab vastu panna, lootes kunstlikke taimi, mis käituvad nagu tõeline asi?

Kuidas Kunstlik Fotosüntees Toimib


Video Täiendada: .




ET.WordsSideKick.com
Kõik Õigused Reserveeritud!
Mistahes Materjalide Reprodutseerimine Lubatud Ainult Prostanovkoy Aktiivne Link Saidile ET.WordsSideKick.com

© 2005–2024 ET.WordsSideKick.com