یک تیم تحقیقاتی مشترک از دانشگاه شهر هنگ کنگ (CityU) و همکارانش اخیراً یک سیستم فوتوکاتالیستی مصنوعی پایدار برای خنثی سازی کربن ساخته اند که کارآمدتر از فتوسنتز طبیعی است.
به گزارش تکناک، سیستم جدید توسعه یافته، که یک کلروپلاست طبیعی را تکرار می کند، قادر است دی اکسید کربن موجود در آب را با استفاده از نور بسیار کارآمد به متان که یک سوخت مفید است تبدیل کند. این دستاورد نشان دهنده یک پیشرفت قابل توجه به سمت خنثی سازی کربن است.
برای درک زمینه، فتوسنتز مکانیسمی است که از طریق آن کلروپلاست ها در گیاهان و موجودات خاص از نور خورشید، آب و دی اکسید کربن برای تولید غذا یا انرژی استفاده می کنند. در طول چند دهه گذشته، محققان متعددی تلاش کرده اند تا فرآیندهای فتوسنتز مصنوعی را با هدف تبدیل دی اکسید کربن به سوخت بی کربن ایجاد کنند.
پروفسور یه روقان ، دانشیار دپارتمان شیمی در CityU و یکی از نویسندگان این مطالعه مشترک، توضیح داد: تبدیل دی اکسید کربن در آب دشوار است، زیرا بسیاری از عوامل فوتوسنتز یا کاتالیزورها در آب تجزیه میشوند. اگرچه نشان داده شده است که چرخه های فوتوکاتالیستی مصنوعی با راندمانی بالاتر عمل می کنند، انتخاب پذیری و پایداری کم، تبدیل دی اکسید کربن در آب، کاربرد عملی آنها را با مشکل مواجه کرده است.
در جدیدترین مطالعه، تیم تحقیقاتی مشترک CityU، دانشگاه هنگ کنگ (HKU)، دانشگاه جیانگ سو، و موسسه شیمی آلی شانگهای آکادمی علوم چین با استفاده از یک رویکرد سوپرمولکولی برای ایجاد یک سیستم فتوسنتزی مصنوعی بر این مشکلات غلبه کردند. این ساختار کروماتوفورهای جمعآوری نور باکتریهای بنفش (یعنی سلولهای حاوی رنگدانه) را تقلید میکند که در انتقال انرژی از خورشید بسیار کارآمد هستند.
هسته سیستم فتوسنتزی مصنوعی جدید، یک نانومیسل (نوعی پلیمر که می تواند در آب خود آرایی کند و دارای انتهایی آب دوست و آب گریز است) مصنوعی بسیار پایدار است. سر آبدوست نانو سلول به عنوان یک حساس کننده نور برای جذب نور خورشید عمل می کند و دم آبگریز آن به عنوان یک محرک برای خودآرایی عمل می کند.
هنگامی که در آب قرار میگیرد، نانومیسلها به دلیل پیوند هیدروژنی بین مولکولی بین مولکولهای آب و دم، خودآرایی میکنند. افزودن کاتالیزور کبالت منجر به تولید هیدروژن فوتوکاتالیستی و کاهش دی اکسید کربن و در نتیجه تولید هیدروژن و متان می شود.
این تیم با استفاده از تکنیکهای تصویربرداری پیشرفته و طیفسنجی فوقسریع، از ویژگیهای اتمی عامل فوتوسنتز نوری نوآورانه خود رونمایی کردند. آنها کشف کردند که ساختار ویژه سر آبدوست نانومیسل، همراه با پیوند هیدروژنی بین مولکولهای آب و دم نانومیسل، آن را به یک عامل فوتوسنتز مصنوعی پایدار آب سازگار تبدیل می کند که مشکل ناپایداری مرسوم و ناسازگاری با آب فتوسنتز مصنوعی را حل می کند. برهمکنش الکترواستاتیکی بین عامل فوتوسنتز و کاتالیزور کبالت، فرآیند فوتوکاتالیستی را بهبود بخشید.
در این آزمایش، تیم دریافت که نرخ تولید متان بیش از 13000μmol h-1g-1، با بازده کوانتومی 5.6 درصد در طول 24 ساعت بود. همچنین به نرخ بهره وری بسیار کارآمد خورشید به سوخت 15 درصد دست یافت و از فتوسنتز طبیعی پیشی گرفت.
مهمتر از همه، سیستم فوتوکاتالیستی مصنوعی جدید از نظر اقتصادی مقرون به صرفه و پایدار است، زیرا به فلزات گرانبها متکی نیست.
پروفسور یه گفت: خودآرایی طبقه ای این سیستم یک استراتژی امیدوارکننده برای ایجاد یک سیستم فوتوکاتالیستی مصنوعی با کارایی بالا و دقیق بر اساس عناصر ارزان و فراوان، مانند ذخائر پورفیرین، روی و کبالت ارائه می دهد.
پروفسور یه گفت که او معتقد است که نتایج آنها به نفع و الهام بخش طراحی منطقی سیستم های فوتوکاتالیستی آینده برای تبدیل و کاهش دی اکسید کربن با استفاده از انرژی خورشیدی خواهد بود و به هدف خنثی سازی کربن کمک می کند.
