فهرست مطالب
محققان دانشگاه کمبریج با توسعه یک «برگ نیمه‌مصنوعی» خورشیدی توانستند دی‌اکسید کربن را به سوخت‌ها و ترکیبات شیمیایی مفید تبدیل کنند.
به گزارش تکناک، دانشمندان دانشگاه کمبریج دستگاه خورشیدی نوینی توسعه داده‌اند که با تقلید از فرآیند فتوسنتز، دی‌اکسید کربن، نور خورشید و آب را به سوخت‌های شیمیایی ارزشمند تبدیل می‌کند.
این «برگ نیمه‌مصنوعی» غیرسمی قادر است به‌طور پیوسته و کارآمد عمل کند و ترکیبات دارویی با خلوص بالا تولید نماید؛ کشفی که می‌تواند جایگزین سوخت‌های فسیلی در تولیدات شیمیایی شده و فصل تازه‌ای از شیمی سبز را رقم زند.
گامی مهم در شیمی پایدار
پژوهشگران روشی پایدار برای تولید مواد شیمیایی اساسی یافته‌اند که پایه هزاران محصول روزمره از جمله پلاستیک و لوازم آرایشی هستند. صنعت شیمی جهانی با تبدیل مواد اولیه (بیشتر سوخت‌های فسیلی) به محصولات نهایی، طیف گسترده‌ای از ترکیبات را تولید می‌کند و به دلیل مقیاس وسیع و وابستگی به منابع کربنی، مسئول حدود ۶ درصد از انتشار جهانی دی‌اکسید کربن است. تیم دانشگاه کمبریج با تکنیک‌های نوآورانه خود در تلاش است تا این صنعت حیاتی را «غیر فسیلی» کرده و تولیدات شیمیایی را پایدارتر سازد.
برگ نیمه‌مصنوعی؛ تقلید از طبیعت
این گروه پژوهشی سیستمی هیبریدی طراحی کرده است که پلیمرهای آلی جذب‌کننده نور را با آنزیم‌های باکتریایی تلفیق می‌کند تا نور خورشید، آب و CO₂ را به فرمات، سوختی پاک و کاربردی، تبدیل نماید.
این برگ نیمه‌مصنوعی فرآیند فتوسنتز طبیعی گیاهان را شبیه‌سازی می‌کند و بدون نیاز به منبع تغذیه خارجی عمل می‌کند. برخلاف نمونه‌های پیشین که به مواد ناپایدار یا سمی وابسته بودند، این مدل جدید ایمن‌تر، بادوام‌تر و بدون افزودنی‌های کاهش‌دهنده عملکرد است.
تبدیل دی‌اکسید کربن به مواد شیمیایی ارزشمند
در طول آزمایش‌ها، تیم تحقیقاتی موفق شد با بهره‌گیری از نور خورشید، CO₂ را به فرمات تبدیل کرده و آن را در یک سری واکنش‌های متوالی «دومینو» به کار گیرد تا ترکیبی دارویی حیاتی با بازده و خلوص چشمگیر تولید شود.
این دستاورد که در نشریه Joule منتشر شده، برای نخستین بار استفاده از نیمه‌هادی‌های آلی به‌عنوان بخش جذب نور در این نوع دستگاه‌های بیوهیبریدی را ثبت می‌کند و دروازه‌ای به سوی نسل جدید برگ‌های نیمه‌مصنوعی پایدار گشوده است. صنعت شیمیایی ستون فقرات اقتصاد جهانی محسوب می‌شود و محصولاتی از قبیل دارو، کود، پلاستیک، رنگ، تجهیزات الکترونیکی و محصولات بهداشتی تولید می‌کند.
پروفسور ارویین ریزنر از گروه شیمی یوسف حمید دانشگاه کمبریج و رهبر این مطالعه می‌گوید: «برای ساختن اقتصادی چرخه‌ای و پایدار، صنعت شیمی چالشی بزرگ و پیچیده است که باید به آن پرداخته شود. باید راه‌هایی برای غیر فسیلی کردن این بخش حیاتی که محصولات ضروری بسیاری تولید می‌کند، پیدا کنیم. اگر این کار را درست انجام دهیم، فرصتی عظیم پیش روی ما خواهد بود.»
رویکردی پاک‌تر برای فتوسنتز مصنوعی
گروه تحقیقاتی پروفسور ریزنر بر توسعه برگ‌های نیمه‌مصنوعی تمرکز دارد که با بهره‌گیری از نور خورشید، بدون وابستگی به سوخت‌های فسیلی، انرژی خورشیدی را به سوخت‌ها و ترکیبات شیمیایی کربنی تبدیل می‌کنند.
با این حال، بسیاری از نمونه‌های پیشین بر کاتالیزورهای مصنوعی یا نیمه‌هادی‌های معدنی مبتنی بودند که یا به سرعت تخریب می‌شدند، بخش عمده‌ای از طیف خورشیدی را هدر می‌دادند یا حاوی عناصر سمی نظیر سرب بودند.
دکتر سلین یونگ، نویسنده مشترک اول مقاله و پژوهشگر دوره دکتری در آزمایشگاه ریزنر، بیان کرد: «حذف اجزای سمی و استفاده از عناصر آلی منجر به واکنشی شیمیایی پاک با یک محصول نهایی و بدون واکنش‌های جانبی ناخواسته می‌شود. این دستگاه ترکیبی از مزایای هر دو جهان را ارائه می‌دهد؛ نیمه‌هادی‌های آلی قابل تنظیم و غیرسمی هستند و بیوکاتالیست‌ها با کارایی و انتخاب‌گری بالا عمل می‌کنند.»
دستگاه جدید، نیمه‌هادی‌های آلی را با آنزیم‌های باکتری‌های سولفات‌زا تلفیق می‌کند و قادر است آب را به هیدروژن و اکسیژن و همچنین دی‌اکسید کربن را به فرمات تبدیل کند، مسیری پاک و پایدار برای تولید انرژی و مواد شیمیایی.
حل معمای پایداری آنزیم
پژوهشگران توانسته‌اند چالشی دیرینه در این حوزه را برطرف کنند. بیشتر سیستم‌ها برای حفظ فعالیت آنزیم‌ها به افزودنی‌های شیمیایی معروف به بافر نیاز دارند که به سرعت تجزیه شده و پایداری سیستم را محدود می‌کنند.
با جاسازی آنزیم کمکی کربنیک انهیدراز در ساختار متخلخل تیتانیا، محققان امکان عملکرد دستگاه در یک محلول ساده بی‌کربنات (مشابه آب گازدار) را بدون نیاز به افزودنی‌های غیرپایدار فراهم کردند.
دکتر یونگ‌پنگ لیو، پژوهشگر پسادکتری و نویسنده مشترک اول مقاله، اظهار داشت: «این پروژه شبیه یک پازل بزرگ است. تمام این اجزای مختلف را برای هدفی واحد کنار هم آوردیم و مدت زیادی طول کشید تا بفهمیم چگونه این آنزیم خاص روی الکترود تثبیت می‌شود، اما حالا نتایج تلاش‌هایمان روشن شده است.»
سلین یونگ افزود: «با مطالعه دقیق عملکرد آنزیم، توانستیم مواد سازنده لایه‌های مختلف دستگاه شبیه ساندویچ را به‌طور دقیق طراحی کنیم. این طراحی باعث شد که اجزا از مقیاس نانو تا کل برگ نیمه‌مصنوعی هماهنگی و عملکرد بهتری داشته باشند.»
بازده و دوام بی‌سابقه برگ نیمه‌مصنوعی
آزمایش‌ها نشان دادند که برگ نیمه‌مصنوعی جریان‌های بالایی تولید کرده و الکترون‌ها را تقریبا با بازده کامل به واکنش‌های تولید سوخت هدایت می‌کند. این دستگاه بیش از ۲۴ ساعت، یعنی بیش از دو برابر طول عمر نمونه‌های پیشین به‌طور مداوم کار کرد.
محققان امیدوارند طراحی‌های خود را بهبود دهند تا طول عمر دستگاه افزایش یابد و قابلیت تولید انواع مختلف محصولات شیمیایی را داشته باشد. پروفسور ریزنر توضیح داد: «ما ثابت کردیم که می‌توان دستگاه‌های خورشیدی ساخت که نه تنها کارآمد و پایدار باشند، بلکه از اجزای سمی یا غیرپایدار هم خالی باشند. این می‌تواند سکوی بنیادی برای تولید سوخت‌ها و مواد شیمیایی سبز در آینده باشد؛ فرصتی واقعی برای انجام شیمی مهم و هیجان‌انگیز.»
این پژوهش با حمایت‌هایی از جمله A*STAR سنگاپور، شورای تحقیقات اروپا، بنیاد ملی علوم سوئیس، آکادمی سلطنتی مهندسی و UKRI انجام شده است. ارویین ریزنر عضو کالج سنت جان و سلین یونگ عضو کالج داونینگ کمبریج هستند.
