Küresel ekonomik büyüme, artan enerji talebiyle birlikte gelir, ancak enerji üretimini hızlandırmak zor olabilir. Son zamanlarda, bilim insanları güneşten yakıta dönüşümde rekor bir verimlilik elde ettiler. Ve artık bunu daha da ilerletmek için fotosentez mekanizmasını işin içine dahil etmek istiyorlar. Araştırmacılar sonuçlarını Amerikan Kimya Derneği (ACS) Sonbahar 2020 Sanal Toplantı ve Fuarı’nda sunacaklar.
Projenin baş araştırmacısı olan Dr. LilacAmirav, çevresel önemi olan kimyasal reaksiyonları harekete geçirmek için güneş ışığını kullanan bir fotokatalitik sistem üretmek istediklerini söylüyor.^Özellikle, İsrail Teknoloji Enstitüsü’ndeki grubu, suyu hidrojen yakıtına ayırabilen bir fotokatalist tasarlıyor.
İlginizi çekebilir: İlginç Bakteriler Fotosentezin Antik Kökeni Hakkında İpucu Veriyor
Amirav, “Çubuk şeklindeki nano parçacıklarımızı suya yerleştirdiğimizde ve üzerlerine ışık tuttuğumuzda, pozitif ve negatif elektrik yükleri üretirler”.
“Su molekülleri kırılır; negatif yükler hidrojen üretir (indirgeme) ve pozitif yükler oksijen üretir (oksidasyon). Pozitif ve negatif yükleri içeren iki reaksiyon aynı anda gerçekleşmelidir. Pozitif yüklerden yararlanmadan, negatif yükler, istenen hidrojeni üretmek için yönlendirilemez. ”
Birbirine çekilen pozitif ve negatif yükler yeniden birleşmeyi başarırlarsa birbirlerini yok ederler ve enerji kaybolur. Bu nedenle, yüklerin birbirinden yeterince uzakta olduğundan emin olmak için ekip, metal ve metal oksit katalizörlerle birlikte farklı yarı iletkenlerin bir kombinasyonundan oluşan benzersiz heteroyapılar oluşturdu. Bir model sistem kullanarak, indirgeme ve oksidasyon reaksiyonlarını ayrı ayrı incelediler ve yakıt üretimini optimize etmek için heteroyapıyı değiştirdiler.
Güneş enerjisinin yakıta gerçek dönüşümüne dönüştürdük
Ekip 2016 yılında, çubuk şeklindeki bir kadmiyum sülfür parçasına gömülü küresel kadmiyum-selenid kuantum noktalı bir heteroyapı tasarladı. Uca bir platin metalik parçacık yerleştirildi. Kadmiyum-selenid parçacığı pozitif yükler çekerken, uçta negatif yükler birikti.
Amirav, kuantum noktasının boyutunu ve çubuğun uzunluğunu ve diğer parametreleri ayarlayarak, güneş ışığını su indirgemesinden hidrojene %100 dönüştürmeyi başardıklarını söylüyor. Tek bir foto katalizör nano partikülünün saatte 360.000 molekül hidrojen üretebileceğini de belirtiyor.
Grup, sonuçlarını ACS dergisi NanoLetters’da yayınladı. Ancak bu deneylerde, reaksiyonun yalnızca yarısını (indirgeme) incelediler. Uygun işlev için, fotokatalitik sistemin hem indirgeme hem de oksidasyon reaksiyonlarını desteklemesi gerekir.
Amirav, “Henüz güneş enerjisini yakıta dönüştürmüyorduk. Halâ kuantum noktasına sürekli olarak elektron sağlayacak bir oksidasyon reaksiyonuna ihtiyacımız vardı.”
” Su oksidasyon reaksiyonu çok aşamalı bir süreçte gerçekleşir ve sonuç olarak önemli bir zorluk olarak kalır. Ek olarak, türev ürünleri yarı iletkenin kararlılığını tehlikeye atıyor gibi görünüyor.”
İlginizi çekebilir: Yenilenebilir Enerji Kaynağı: Güneş Enerjisi Nedir?
Grup, işbirlikçileriyle birlikte, onları benzilamine götüren, su yerine oksitlenebilecek farklı bileşikler arayan yeni bir yaklaşımı keşfetti. Araştırmacılar, benzilamini benzaldehite dönüştürürken aynı anda sudan hidrojen üretebileceklerini keşfettiler.
Fotokatalitik sistem
Amirav, “Bu araştırma ile, süreci fotokatalizden fotosenteze, yani güneş enerjisinin yakıta gerçek dönüşümüne dönüştürdük” diyor. Fotokatalitik sistem, maksimum% 4,2 güneş-kimyasal enerji dönüşüm verimliliği ile güneş enerjisinin depolanabilir kimyasal bağlara gerçek dönüşümünü gerçekleştirir.
“Bu veri fotokataliz alanında yeni bir dünya rekoru oluşturuyor ve önceki rekoru ikiye katlıyor” diye de ekliyor. “ABD Enerji Bakanlığı, fotokataliz yoluyla hidrojen üretmek için% 5-10’u ‘pratik fizibilite eşiği’ olarak tanımladı. Bu nedenle, ekonomik olarak uygulanabilir güneşten hidrojene dönüşümün eşiğindeyiz” diyor.
Bu etkileyici sonuçlar, araştırmacıları güneşten kimyasala dönüşümleri yüksek olan başka bileşikler olup olmadığını görmeye motive etti. Bunu yapmak için ekip yapay zeka kullanıyor. Bir işbirliği sayesinde, araştırmacılar ideal bir yakıt üreten bileşik için kimyasal yapıları aramak için bir algoritma geliştiriyorlar. Ek olarak, fotoğraf sistemlerini geliştirmenin yollarını araştırıyorlar ve belki de bunun bir yolu doğadan ilham almaktır.
İlginizi çekebilir: Yapay Fotosentez İle CO2’yi Sıvı Yakıta Dönüştürmek İçin Altın Kullanılıyor
Fotosentezin elektrik devresini içeren bitki hücre zarlarındaki bir protein kompleksi, nanopartiküller ile başarılı bir şekilde birleştirildi. Amirav, bu yapay sistemin şimdiye kadar verimli olduğunu kanıtladığını ve su oksidasyonunu desteklediğini ve diğer benzer sistemlerin ürettiğinden 100 kat daha büyük foto akım sağladığını söylüyor.
Hacer Sezgin
