A Chicagói Egyetem hat vegyészének tanulmánya egy innovatív, új mesterséges fotoszintézis-rendszert mutat be, amely egy nagyságrenddel termelékenyebb, mint a korábbi mesterséges rendszerek. Fent a folyamat művészi illusztrációja. Jóváírás: Peter Allen illusztrációja
A Chicagói Egyetem áttörése metán üzemanyagot hoz létre napból, szén-dioxidból és vízből.
Az emberek az elmúlt két évszázadban fosszilis tüzelőanyagokra támaszkodtak koncentrált energia előállításához. Társadalmunk kihasználja a kényelmes, energiasűrű anyagok előnyeit, amelyek több százmillió éves bevételből állnak.
” data-gt-translate-attributes=”[{„attribute”:”data-cmtooltip”, „format”:”html”}]”>fotoszintézis. Ez a kínálat azonban véges, és a fosszilis tüzelőanyag-fogyasztás óriási negatív hatással van a Föld éghajlatára.
„A legnagyobb kihívás, amelyet sokan nem vesznek észre, az, hogy még a természetnek sincs megoldása az általunk felhasznált energiamennyiségre” – mondta
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribútum”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>Wenbin Lin, a Chicagoi Egyetem vegyésze. Még a fotoszintézis sem olyan jó, mondta: "Jobban kell dolgoznunk, mint a természetnek, és ez ijesztő."
A „mesterséges fotoszintézis” az egyik lehetséges lehetőség, amelyet a tudósok vizsgálnak. Ez magában foglalja az üzem rendszerének átdolgozását, hogy saját tüzelőanyagot állítsunk elő. Az egyetlen levélben található vegyi berendezés azonban hihetetlenül összetett, és nem is olyan könnyű saját céljainkra fordítani.
A folyóiratban megjelent tanulmányban bemutatják a mesterséges fotoszintézis innovatív új rendszerét, amely egy nagyságrenddel termelékenyebb, mint a korábbi mesterséges rendszerek. Természet katalízis november 10-én hat vegyész a Chicagói Egyetemen. A szokásos fotoszintézissel ellentétben, amely szén-dioxidból és vízből szénhidrátot állít elő, a mesterséges fotoszintézis etanolt, metánt vagy más tüzelőanyagokat termelhet.
Bár még hosszú utat kell megtennie ahhoz, hogy mindennapi üzemanyaggal töltse fel az autóját, a módszer új irányt ad a kutatóknak a felfedezéshez. Ráadásul rövid távon más vegyi anyagok előállításához is hasznos lehet.
"Ez óriási előrelépés a meglévő rendszerekhez képest, de ami ugyanilyen fontos, hogy nagyon világosan megértettük, hogyan működik ez a mesterséges rendszer molekuláris szinten, amit korábban nem sikerült megvalósítani" - mondta Lin, aki James Franck, a Chicagói Egyetem kémiaprofesszora és a tanulmány vezető szerzője.
"Szükségünk lesz valami másra"
„Természetes fotoszintézis nélkül nem lennénk itt. Ez készítette az oxigént, amit belélegzünk a Földön, és ez teszi az ételt, amit megeszünk” – mondta Lin. „De soha nem lesz elég hatékony üzemanyaggal ellátni az autók vezetéséhez; szóval valami másra lesz szükségünk.”
Az a baj, hogy a fotoszintézis szénhidrát előállítására épül, ami kiválóan alkalmas nekünk, de nem az autóinknak, amelyeknek sokkal koncentráltabb energiára van szükségük. Ezért a fosszilis tüzelőanyagok alternatíváit létrehozni kívánó kutatóknak újra kell tervezniük a folyamatot, hogy energiasűrűbb tüzelőanyagokat, például etanolt vagy metánt hozzanak létre.
A természetben a fotoszintézist számos nagyon összetett fehérje- és pigmentkészlet végzi. Felszívják a vizet és a szén-dioxidot, szétbontják a molekulákat, és átrendezik az atomokat, hogy szénhidrátokat képezzenek – hidrogén-oxigén-szén vegyületek hosszú sorozatát. A tudósoknak azonban át kell dolgozniuk a reakciókat, hogy ehelyett más elrendezést hozzanak létre, csupán a hidrogénnel, amely körülveszi a lédús szénmagot – CH4-et, más néven metánt.
Ez az újratervezés sokkal trükkösebb, mint amilyennek hangzik; az emberek évtizedek óta bütykölnek vele, próbálva közelebb kerülni a természet hatékonyságához.
Lin és laboratóriumi csapata úgy gondolta, hogy megpróbálhatnának hozzáadni valamit, amit a mesterséges fotoszintézis rendszerek eddig nem tartalmaztak:
” data-gt-translate-attributes=”[{„attribute”:”data-cmtooltip”, „format”:”html”}]”>aminosavak.
A csapat egy fém-szerves váznak vagy MOF-nak nevezett anyagtípussal kezdte, amely olyan vegyületek osztálya, amelyek fémionokból állnak, amelyeket szerves kapcsolómolekulák tartják össze. Aztán megtervezték a
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>MOF-ok egyetlen rétegben, a kémiai reakciók maximális felületének biztosítása érdekében , és mindent elmerítettek egy olyan oldatba, amely kobaltvegyületet tartalmazott az elektronok körbehordására. Végül aminosavakat adtak a MOF-okhoz, és kísérleteztek, hogy kiderítsék, melyik működik a legjobban.
„A legnagyobb kihívás, amit sokan nem vesznek észre, az, hogy még a természetnek sincs megoldása az általunk felhasznált energiamennyiségre.”
- Prof. Wenbin Lin
Sikerült javítani a reakció mindkét felén: a vizet szétbontó folyamaton és azon, amely elektronokat és protonokat ad a szén-dioxidhoz. Mindkét esetben az aminosavak segítették a reakciót hatékonyabban.
A mesterséges fotoszintézisnek azonban még a jelentősen megnövekedett teljesítmény mellett is hosszú utat kell megtennie ahhoz, hogy elegendő tüzelőanyagot tudjon termelni ahhoz, hogy széles körben alkalmazható legyen. "Ahol most tartunk, sok nagyságrenddel fel kellene lépni ahhoz, hogy elegendő mennyiségű metánt termeljünk a fogyasztásunkhoz" - mondta Lin.
Az áttörést széles körben alkalmazni lehetne más kémiai reakciókban is; sok tüzelőanyagot kell előállítani ahhoz, hogy hatást fejtsen ki, de egyes molekulák sokkal kisebb mennyiségei, mint például a gyógyszerkészítmények és a nejlonok előállításához szükséges kiindulási anyagok, nagyon hasznosak lehetnek.
„Annyi alapvető folyamat ugyanaz” – mondta Lin. "Ha jó kémiát fejleszt ki, sok rendszerhez csatlakoztathatja."
A tudósok az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Argonne Nemzeti Laboratóriumában található Advanced Photon Source, egy szinkrotron erőforrásait használták fel az anyagok jellemzésére.
A cikk első társszerzői Guangxu Lan (PhD'20, jelenleg a Pekingi Egyetemen), Yingjie Fan végzős hallgató és Wenjie Shi (látogató hallgató, jelenleg a Tiencsin Műszaki Egyetemen. A cikk másik szerzője Eric You volt (BS'20, most végzős hallgató a
” data-gt-translate-attributes=”[{„attribute”:”data-cmtooltip”, „format”:”html”}]”>MIT) és Samuel Veroneau (BS'20, jelenleg PhD hallgató a Harvard Egyetemen) ).
Hivatkozás: „Biomimetikus aktív helyek egyrétegű fém-szerves kereteken mesterséges fotoszintézishez”, Guangxu Lan, Yingjie Fan, Wenjie Shi, Eric You, Samuel S. Veroneau és Wenbin Lin, 10. november 2022. Természet katalízis.
DOI: 10.1038/s41929-022-00865-5
Finanszírozás: Chicagói Egyetem, Nemzeti Tudományos Alapítvány, Kínai Ösztöndíjtanács