Если самый умный источник энергии - тот, который в изобилии, дешев и чист, то растения намного умнее людей. За миллиарды лет они разработали, пожалуй, самый эффективный источник энергии в мире:фотосинтез, или преобразование солнечного света, углекислого газа и воды в пригодное для использования топливо с выделением в процессе полезного кислорода.
В случае растений (а также водорослей и некоторых бактерий) «полезным топливом» являются углеводы, белки и жиры. Люди, с другой стороны, ищут жидкое топливо для автомобилей и электричество для работы холодильников. Но это не значит, что мы не можем обратиться к фотосинтезу, чтобы решить наши проблемы с грязной, дорогой и иссякающей энергией. В течение многих лет ученые пытались придумать способ использовать ту же энергетическую систему, что и растения, но с измененной конечной мощностью.
Используя в качестве источника энергии только солнечный свет, растения осуществляют массовые преобразования энергии, превращая 1 102 миллиарда тонн (1 000 миллиардов метрических тонн) CO2 в органическое вещество., т. е. энергии для животных в виде пищи, каждый год. И это только при использовании 3 процентов солнечного света, достигающего Земли.
Энергия солнечного света - это неиспользованный ресурс, которым мы только начали по-настоящему управлять. Современная технология фотогальванических элементов, обычно основанная на полупроводниках, дорога, не очень эффективна и обеспечивает только мгновенное преобразование солнечного света в электричество - выходная энергия не сохраняется на черный день (хотя это может измениться: см. Есть ли способ получить солнечную энергию ночью?»). Но искусственная система фотосинтеза или фотоэлектрохимическая ячейка, которая имитирует то, что происходит в растениях, потенциально могут создать бесконечный и относительно недорогой источник всего чистого «газа» и электричества, которые нам нужны для питания - и в форме, которую можно хранить.
В этой статье мы рассмотрим искусственный фотосинтез и посмотрим, как далеко он продвинулся. Мы выясним, на что должна быть способна система, познакомимся с некоторыми современными методами достижения искусственного фотосинтеза и поймем, почему ее не так просто спроектировать, как некоторые другие системы преобразования энергии.
Итак, что должна уметь искусственная система фотосинтеза?
Подходы к искусственному фотосинтезу
Чтобы воссоздать фотосинтез, доведенный до совершенства растениями, система преобразования энергии должна быть в состоянии делать две важные вещи (вероятно, внутри какой-то нанотрубки, которая действует как структурный «лист»): собирать солнечный свет и разделять воду. молекулы.
Растения выполняют эти задачи, используя хлорофилл, который улавливает солнечный свет, и набор белков и ферментов, которые используют этот солнечный свет для расщепления молекул H2O на водород, электроны и кислород (протоны). Затем электроны и водород используются для превращения CO2 в углеводы, а кислород вытесняется.
Чтобы искусственная система работала на нужды человека, результат должен измениться. Вместо того, чтобы выделять только кислород в конце реакции, она должна также выделять жидкий водород (или, возможно, метанол). Этот водород можно было бы использовать непосредственно в качестве жидкого топлива или направить в топливный элемент. Наладить процесс производства водорода не проблема, поскольку он уже присутствует в молекулах воды. И уловить солнечный свет не проблема - с этим справляются современные системы солнечной энергии.
Самое сложное - расщепить молекулы воды, чтобы получить электроны, необходимые для облегчения химического процесса, в результате которого образуется водород. Для расщепления воды требуется входная энергия около 2,5 вольт. Это означает, что для процесса требуется катализатор - что-то, что приведет все в движение. Катализатор вступает в реакцию с солнечными фотонами, запуская химическую реакцию.
За последние пять-десять лет в этой области произошли важные сдвиги. Вот некоторые из наиболее успешных катализаторов:
- Марганец: Марганец является катализатором фотосинтеза растений. Один атом марганца запускает естественный процесс расщепления воды с помощью солнечного света. Использование марганца в искусственной системе - этобиометрический подход - он напрямую имитирует биологию растений.
- Сенситизированный красителем диоксид титана: Диоксид титана (TiO2) представляет собой стабильный металл, который может действовать как эффективный катализатор. Он используется в сенсибилизированном красителем солнечном элементе, также известном как элемент Гретцеля, который существует с 1990-х годов. В ячейке Гретцеля TiO2подвешен в слое частиц красителя, которые улавливают солнечный свет, а затем подвергают его воздействию TiO2, чтобы начать реакция.
- оксид кобальта: Было обнаружено, что один из недавно открытых катализаторов, кластеры наноразмерных молекул оксида кобальта (CoO), являются стабильными и высокоэффективными триггерами в система искусственного фотосинтеза. Оксид кобальта также является очень распространенной молекулой - в настоящее время он является популярным промышленным катализатором.
После усовершенствования эти системы могут изменить то, как мы питаем наш мир.
Применения искусственного фотосинтеза
Ископаемых видов топлива не хватает, и они способствуют загрязнению и глобальному потеплению. Уголь, несмотря на его изобилие, сильно загрязняет как организм человека, так и окружающую среду. Ветряные турбины наносят ущерб живописным ландшафтам, кукуруза требует огромных участков сельскохозяйственных угодий, а современные технологии солнечных батарей дороги и неэффективны. Искусственный фотосинтез может предложить новый, возможно, идеальный выход из нашего энергетического затруднительного положения.
Во-первых, он имеет преимущества перед фотогальваническими элементами, используемыми в современных солнечных панелях. Прямое преобразование солнечного света в электричество в фотогальванических элементах делает солнечную энергию зависящей от погоды и времени энергией, что снижает ее полезность и увеличивает ее цену. С другой стороны, искусственный фотосинтез может производить запасаемое топливо.
И в отличие от большинства методов получения альтернативной энергии, искусственный фотосинтез может производить более одного вида топлива. Процесс фотосинтеза можно настроить таким образом, чтобы реакции между светом, CO2и H2O в конечном итоге производили жидкий водород. Жидкий водород можно использовать как бензин в водородных двигателях. Его также можно было бы направить в установку на топливных элементах, которая эффективно реверсировала бы процесс фотосинтеза, вырабатывая электричество путем объединения водорода и кислорода в воду. Водородные топливные элементы могут генерировать электричество, как и то, что мы получаем из сети, поэтому мы будем использовать их для работы наших кондиционеров и водонагревателей.
Одной из актуальных проблем, связанных с крупномасштабной водородной энергетикой, является вопрос о том, как эффективно и чисто производить жидкий водород. Решением может стать искусственный фотосинтез.
Метанол - еще один возможный выход. Вместо того, чтобы испускать чистый водород в процессе фотосинтеза, фотоэлектрохимическая ячейка может генерировать метанольное топливо (CH3OH). Метанол или метиловый спирт обычно получают из метана, содержащегося в природном газе, и его часто добавляют в товарный бензин, чтобы он сгорал более чисто. Некоторые автомобили могут работать даже на одном метаноле.
Возможность производить чистое топливо без образования каких-либо вредных побочных продуктов, таких как парниковые газы, делает искусственный фотосинтез идеальным источником энергии для окружающей среды. Для этого не потребуется добыча полезных ископаемых, выращивание или бурение. И поскольку ни вода, ни углекислый газ в настоящее время не являются дефицитом, они также могут быть безграничным источником, потенциально менее дорогим, чем другие формы энергии в долгосрочной перспективе. Фактически, этот тип фотоэлектрохимической реакции может даже удалить большое количество вредного CO2 из воздуха в процессе производства топлива. Это беспроигрышная ситуация.
Но это еще не все. Есть несколько препятствий на пути использования искусственного фотосинтеза в массовом масштабе.
Проблемы создания искусственного фотосинтеза
Хотя искусственный фотосинтез работает в лаборатории, он не готов к массовому потреблению. Воспроизвести то, что происходит в природе с зелеными растениями, - непростая задача.
Эффективность имеет решающее значение в производстве энергии. Растениям потребовались миллиарды лет, чтобы выработать процесс фотосинтеза, который работает для них эффективно; воспроизведение этого в синтетической системе требует множества проб и ошибок.
Марганец, действующий в качестве катализатора в растениях, не работает так же хорошо в искусственных установках, главным образом потому, что марганец несколько нестабилен. Он действует недолго и не растворяется в воде, что делает систему на основе марганца несколько неэффективной и непрактичной. Другое большое препятствие заключается в том, что молекулярная геометрия растений необычайно сложна и точна - большинство искусственных установок не могут воспроизвести такой уровень сложности.
Стабильность является проблемой во многих потенциальных системах фотосинтеза. Органические катализаторы часто разлагаются или запускают дополнительные реакции, которые могут повредить работу клетки. Неорганические катализаторы на основе оксидов металлов - хорошая возможность, но они должны работать достаточно быстро, чтобы эффективно использовать фотоны, поступающие в систему. Такую каталитическую скорость трудно найти. А некоторых оксидов металлов, обладающих скоростью, не хватает в другой области - в изобилии.
В современных клетках, сенсибилизированных красителем, проблема не в катализаторе; вместо этого раствор электролита поглощает протоны из расщепленных молекул воды. Это важная часть клетки, но она состоит из летучих растворителей, которые могут разрушать другие компоненты системы.
Достижения последних нескольких лет начинают решать эти проблемы. Оксид кобальта является стабильным, быстрым и распространенным оксидом металла. Исследователи клеток, сенсибилизированных красителем, придумали решение, не содержащее растворителей, для замены вызывающих коррозию веществ.
Исследования в области искусственного фотосинтеза набирают обороты, но в ближайшее время они не покинут лабораторию. Пройдет не менее 10 лет, прежде чем система такого типа станет реальностью. И это довольно обнадеживающая оценка. Некоторые люди не уверены, что это когда-нибудь произойдет. Тем не менее, кто может сопротивляться надежде на искусственные растения, которые ведут себя как настоящие?