Hvordan Kunstig Fotosyntese Virker

{h1}

Kunstig fotosyntese giver os mulighed for at replikere en af ​​naturens mirakler. Besøg WordsSideKick.com for at lære alt om kunstig fotosyntese.

Hvis den smarteste energikilde er en, der er rigelig, billig og ren, så er planter meget klogere end mennesker. Over milliarder af år udviklede de måske den mest effektive strømforsyning i verden: fotosyntese, eller omdannelsen af ​​sollys, kuldioxid og vand til brugt brændsel, hvilket udsender nyttig oxygen i processen.

Ved planter (såvel som alger og nogle bakterier) er "brugbart brændstof" kulhydrater, proteiner og fedtstoffer. Mennesker på den anden side søger flydende brændstof til elbiler og elektricitet til at køre køleskabe. Men det betyder ikke, at vi ikke kan se på fotosyntese for at løse vores beskidte, dyre-, svindende-energi-elendigheder. I årevis har forskere forsøgt at komme op på en måde at bruge det samme energisystem, som planterne gør, men med en ændret slutproduktion.

Ved hjælp af intet andet end sollys som energitilførslen udfører planter massive energikonverteringer, der omdanner 1.102 mia. Tons (1.000 mia. Tons) CO2 ind i organisk materiale, dvs. energi til dyr i form af mad, hvert år [kilde: Hunter]. Og det bruger kun 3 procent af sollyset, der når jorden [kilde: Boyd].

Den energi, der er tilgængelig i sollys, er en uudnyttet ressource, vi har kun begyndt at få et håndtag på. Nuværende fotovoltaic-celleteknologi, typisk et halvlederbaseret system, er dyrt, ikke frygteligt effektivt, og kun omdannes fra sollys til elektricitet - energiproduktionen lagres ikke til en regnvejrsdag (selv om det kunne ændre sig "Er der mulighed for at få solenergi om natten?"). Men et kunstigt fotosyntese system eller en fotoelektrokemisk celle, der efterligner, hvad der sker i planter, kan potentielt skabe en endeløs, relativt billig forsyning af al den rene "gas" og elektricitet, vi har brug for til at drive vores liv - og i en lagerbar form også.

I denne artikel vil vi se på kunstig fotosyntese og se, hvor langt det er kommet. Vi finder ud af, hvad systemet skal kunne gøre, tjek nogle nuværende metoder til at opnå kunstig fotosyntese og se hvorfor det ikke er så nemt at designe som andre energikonverteringssystemer.

Så hvad skal et kunstigt fotosyntese system være i stand til at gøre?

Hvordan kunstig fotosyntese virker: hvordan

Kunstige fotosyntesemetoder

For at genskabe fotosyntesen, som planterne har perfektioneret, skal et energikonverteringssystem være i stand til at gøre to afgørende ting (sandsynligvis inden for en slags nanorør, der fungerer som det strukturelle "blad"): høst sollys og splittede vandmolekyler.

Planter udfører disse opgaver ved hjælp af klorofyl, som fanger sollys og en samling af proteiner og enzymer, der bruger det sollys til at bryde ned H2O molekyler i hydrogen, elektroner og oxygen (protoner). Elektronerne og brintet bruges derefter til at dreje CO2 ind i kulhydrater, og oxygenet udvises.

For et kunstigt system til at arbejde for menneskelige behov, skal produktionen ændres. I stedet for at frigive kun ilt ved afslutningen af ​​reaktionen, ville det være nødvendigt at frigive flydende hydrogen (eller måske methanol). At brint kunne bruges direkte som flydende brændstof eller kanaliseret til en brændselscelle. At få processen til at producere brint er ikke et problem, da det allerede er der i vandmolekylerne. Og indfangning af sollys er ikke et problem - nuværende solvarmesystemer gør det.

Den hårde del er at opdele vandmolekylerne for at få elektronerne nødvendige for at lette den kemiske proces, der producerer brintet. Splitting vand kræver en energiindgang på ca. 2,5 volt [kilde: Hunter]. Det betyder, at processen kræver en katalysator - noget for at få det hele til at bevæge sig. Katalysatoren reagerer med solens fotoner for at initiere en kemisk reaktion.

Der har været vigtige fremskridt på dette område i de sidste fem eller ti år. Nogle af de mere succesrige katalysatorer omfatter:

  • Mangan: Mangan er katalysatoren, der findes i den fotosyntetiske kerne af planter. Et enkelt manganatom udløser den naturlige proces, der bruger sollys til at splitte vand. Brug af mangan i et kunstigt system er a biomimetrisk tilgang - det efterligner direkte den biologi, der findes i planter
  • Farvestof-sensitiv titandioxid: Titandioxid (TiO2) er et stabilt metal, som kan fungere som en effektiv katalysator. Det bruges i en farvestof-sensibiliseret solcelle, også kendt som en Graetzel-celle, som har eksisteret siden 1990'erne. I en Graetzel-celle er TiO2 suspenderes i et lag farvestofpartikler, der fanger sollyset og udsætter det for TiO2 at starte reaktionen.
  • Koboltoxid: En af de nyligt opdagede katalysatorer, klynger af nanostørret koboltoxidmolekyler (CoO), har vist sig at være stabile og yderst effektive udløsere i et kunstigt fotosyntesesystem. Cobaltoxid er også et meget rigeligt molekyle - det er i øjeblikket en populær industriel katalysator.

Når de er blevet perfektionerede, kan disse systemer ændre den måde, hvorpå vi styrker vores verden.

Kunstige fotosynteseprogrammer

NREL-forsker John Turner demonstrerer evnen hos en fotoelektrokemisk (PEC) celle til at producere hydrogen fra vand ved hjælp af energi fra en lyskilde.

NREL-forsker John Turner demonstrerer evnen hos en fotoelektrokemisk (PEC) celle til at producere hydrogen fra vand ved hjælp af energi fra en lyskilde.

Fossile brændstoffer er mangelfulde, og de bidrager til forurening og global opvarmning. Kul, mens det er rigeligt, er meget forurenende både for menneskelige kroppe og for miljøet. Vindmøller sårer maleriske landskaber, majs kræver enorme marker af landbrugsjord, og den nuværende solcelleteknologi er dyr og ineffektiv.Kunstig fotosyntese kunne tilbyde en ny, muligvis ideel vej ud af vores energikapacitet.

For det første har det fordele ved fotovoltaiske celler, der findes i dagens solpaneler. Den direkte omdannelse af sollys til elektricitet i solcelleceller gør solenergi til en vejr- og tidsafhængig energi, hvilket reducerer dets nytteværdi og øger prisen. Kunstig fotosyntese kunne derimod producere et opbevarbart brændstof.

Og i modsætning til de fleste metoder til generering af alternativ energi har kunstig fotosyntese potentialet til at producere mere end en type brændstof. Den fotosyntetiske proces kunne tweaked, så reaktionerne mellem lys, CO2 og H2O producerer i sidste ende flydende hydrogen. Flydende brint kan bruges som benzin i brintdrevne motorer. Det kan også tragtes i en brændselscelle opsætning, som effektivt ville reversere fotosynteseprocessen ved at skabe elektricitet ved at kombinere hydrogen og ilt i vand. Brintceller kan generere elektricitet som de ting, vi kommer fra nettet, så vi vil bruge det til at køre vores klimaanlæg og vandvarmere.

Et aktuelt problem med storbrint hydrogenergi er spørgsmålet om, hvordan man effektivt og rent genererer flydende hydrogen. Kunstig fotosyntese kan være en løsning.

Methanol er en anden mulig udgang. I stedet for at udstede rent hydrogen i fotosynteseprocessen kunne den fotoelektrokemiske celle generere methanolbrændstof (CH3OH). Methanol eller methylalkohol er typisk afledt af metan i naturgas, og det tilsættes ofte til kommercielt benzin for at gøre det mere rent. Nogle biler kan endda køre på methanol alene.

Evnen til at producere et rent brændstof uden at generere skadelige biprodukter, som drivhusgasser, gør kunstig fotosyntese til en ideel energikilde for miljøet. Det ville ikke kræve minedrift, dyrkning eller boring. Og da hverken vand eller kuldioxid i øjeblikket mangler, kan det også være en ubegrænset kilde, muligvis billigere end andre energiformer på lang sigt. Faktisk kunne denne type fotoelektrokemiske reaktion endda fjerne store mængder skadeligt CO2 fra luften i processen med at producere brændstof. Det er en win-win-situation.

Men vi er ikke der lige endnu. Der er flere forhindringer i vejen for at anvende kunstig fotosyntese på masseskala.

Udfordringer i at skabe kunstig fotosyntese

Naturen har perfektioneret fotosynteseprocessen over milliarder af år. Det vil ikke være let at replikere det i et syntetisk system.

Naturen har perfektioneret fotosynteseprocessen over milliarder af år. Det vil ikke være let at replikere det i et syntetisk system.

Mens kunstig fotosyntese virker i laboratoriet, er den ikke klar til masseforbrug. Replicere hvad der sker naturligt i grønne planter er ikke en simpel opgave.

Effektivitet er afgørende for energiproduktionen. Planter tog milliarder af år for at udvikle fotosynteseprocessen, der virker effektivt for dem; replikere at i et syntetisk system kræver en masse forsøg og fejl.

Manganet, der fungerer som katalysator i planter, virker ikke lige så godt i en menneskeskabt opsætning, for det meste fordi mangan er noget ustabil. Det varer ikke særlig lang tid, og det opløses ikke i vand, hvilket gør et manganbaseret system noget ineffektivt og upraktisk. Den anden store hindring er, at den molekylære geometri i planter er ekstraordinært kompleks og præcis - de fleste menneskeskabte opsætninger kan ikke replikere det niveau af kompliceret.

Stabilitet er et problem i mange potentielle fotosyntese systemer. Økologiske katalysatorer nedbryder ofte, eller de udløser yderligere reaktioner, som kan skade cellernes arbejde. Uorganiske metaloxidkatalysatorer er en god mulighed, men de skal arbejde hurtigt nok til at udnytte fotoner effektivt i systemet. Den type katalytiske hastighed er svært at komme forbi. Og nogle metaloxider, der har hastigheden, mangler i et andet område - overflod.

I de nuværende state-of-the-art farvefølsomme celler er problemet ikke katalysatoren; i stedet er det elektrolytopløsningen, der absorberer protonerne fra de splittede vandmolekyler. Det er en væsentlig del af cellen, men den er lavet af flygtige opløsningsmidler, som kan ødelægge andre komponenter i systemet.

Fremskridt i de sidste par år er begyndt at løse disse problemer. Cobaltoxid er et stabilt, hurtigt og rigeligt metaloxid. Forskere i farvestof-sensibiliserede celler har fundet frem til en ikke-opløsningsmiddelbaseret løsning for at erstatte de ætsende stoffer.

Forskning inden for kunstig fotosyntese henter damp, men det går ikke snart fra laboratoriet. Det vil være mindst 10 år før denne type system er en realitet [kilde: Boyd]. Og det er et ret håbetfulde skøn. Nogle mennesker er ikke sikre på, at det nogensinde vil ske. Stadig, hvem kan modstå håbet på kunstige planter, der opfører sig som den virkelige ting?


Video Supplement: Thorium..




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com