science >> Wetenschap >  >> Chemie

Nieuwe theorieën en materialen helpen de overgang naar schone energie

Illustratie die de drie vormen van katalyse benadrukt die in de nieuwe studie worden beschreven. Krediet:Jason Drees / The Biodesign Institute aan de Arizona State University

Met elke dag die voorbijgaat, de donkere kant van onze verslaving aan fossiele brandstoffen wordt duidelijker. Naast het terugdringen van de uitstoot van kooldioxide, de samenleving moet duurzame alternatieven vinden om de moderne wereld van stroom te voorzien.

In een nieuwe studie, Gary Moore en zijn onderzoeksgroep onderzoeken verschillende benaderingen van katalyse, een chemisch proces dat een essentiële rol speelt bij biologische reacties, evenals vele industriële toepassingen.

Katalysatoren zijn stoffen die de snelheid van chemische reacties versnellen, zonder te worden verbruikt tijdens het reactieproces. Enzymkatalysatoren zijn zo belangrijk van aard dat het leven zonder hen onmogelijk zou zijn, omdat de omstandigheden in levende cellen niet bevorderlijk zijn voor veel vitale chemische processen. Chemische reacties die anders uren of zelfs dagen zouden duren, kunnen met behulp van enzymkatalysatoren in minder dan een seconde plaatsvinden.

Chemische katalysatoren zijn gebruikt in een verscheidenheid aan menselijke toepassingen, variërend van farmaceutische ontwikkeling tot biologisch afbreekbare kunststoffen en milieuvriendelijke meststoffen. Ze kunnen ook de ontwikkeling van groene energieoplossingen bevorderen om de klimaatcrisis aan te pakken, een gebied dat de groep van Moore actief heeft nagestreefd.

Moore is een onderzoeker in het Biodesign Center for Applied Structural Discovery (CASD) en een universitair hoofddocent in ASU's School of Molecular Sciences (SMS). Hij wordt vergezeld door Daiki Nishiori, een afgestudeerde student in SMS en hoofdauteur van de nieuwe studie, evenals Brian Wadsworth, een voormalige afgestudeerde student in SMS die nu in dienst is bij Intel Corporation.

De onderzoeksresultaten verschijnen in het huidige nummer van het tijdschrift Chem Katalyse.

Katalysatoren van dichtbij

De nieuwe studie is gebaseerd op onderzoek naar het gedrag van katalysatoren door Moore en zijn ASU-collega's, evenals andere onderzoekers in het veld. Het huidige perspectiefartikel beschrijft drie vormen van katalyse:enzymatisch, elektrokatalytisch en foto-elektrosynthetisch - schetst de voortgang tot nu toe en benadrukt enkele van de resterende uitdagingen waarmee wetenschappers worden geconfronteerd die op zoek zijn naar een alomvattend begrip van deze belangrijke verschijnselen.

Hoewel er veel is geleerd door de studie van enzymkatalyse in levende organismen, onderzoekers hopen synthetische alternatieven te ontwikkelen die de ontwerpen van de natuur kunnen verbeteren. "Het is een uitdaging om biologische enzymen voor katalyse na te bootsen, Nishiori zegt. "Biologische enzymen hebben complexe, driedimensionale eiwitstructuren, " en werken onder heel andere omstandigheden dan de meeste door mensen gemaakte katalysatoren.

In plaats daarvan, onderzoekers hopen een nieuwe reeks synthetische katalysatoren te produceren om chemische reacties met hoge efficiëntie aan te sturen. Succesvolle resultaten zouden de industriële productie van veel producten die de samenleving ten goede komen aanzienlijk kunnen verbeteren. Deze omvatten nieuwe soorten koolstofneutrale of koolstofvrije brandstoffen.

"We behandelen een behoorlijke hoeveelheid materiële ruimte in dit artikel, inclusief traditionele chemische katalyse door enzymen, evenals elektrokatalytische processen die worden gemedieerd door biologische en/of synthetische complexen, ", zegt Moore. De studie gaat vervolgens verder met het beschrijven van hybride systemen die stralingslichtenergie opvangen en gebruiken om ladingsoverdrachtsreacties aan te sturen. De voor de hand liggende parallel in de natuur is met fotosynthetische processen die door planten worden uitgevoerd.

Maar kunstmatige fotosynthetische technologieën kunnen niet simpelweg de blauwdruk van de natuur nabootsen. Naast een beperkt begrip van de structuur-functierelaties die hun prestaties bepalen, fotosynthetische planten zetten amper 1% van het invallende zonlicht dat door hun bladeren wordt verzameld om in de vorm van chemische bindingen en slaan ze op. Deze bindingen vormen uiteindelijk het voedsel dat we eten, en op langere geologische tijdschalen, de op koolstof gebaseerde fossiele brandstoffen waarop onze moderne samenlevingen vertrouwen. Dit is alles wat een gezonde plant nodig heeft om zich te ontwikkelen en te reproduceren, maar is onvoldoende voor menselijke toepassingen.

Verhelderend onderzoek

Het ontwerpen van nieuwe foto-elektrosynthetische apparaten omvat het gebruik van lichtverzamelende technologie, vergelijkbaar met de huidige fotovoltaïsche cellen, en koppelen aan een dunne laag katalytisch materiaal. In dit schema is ladingsdragers worden overgebracht van een halfgeleideroppervlak naar katalytische plaatsen. Zodra een katalysator voldoende ladingsdragers heeft verzameld, het komt in een zogenaamde geactiveerde staat, waardoor de katalyse kan doorgaan. Het proces kan worden gebruikt om waterstof te produceren uit water of om gereduceerde vormen van CO . te produceren 2 inclusief methaan, koolmonoxide, vloeibare brandstoffen, en andere industrieel bruikbare producten.

"In het geval van een meer traditionele zonnecel, uw uiteindelijke doel is het omzetten van zonlicht in elektrische stroom. De systemen die we ontwikkelen gebruiken zonne-energie om energetisch bergopwaartse chemische transformaties aan te drijven, "zegt Moore. In plaats van elektriciteit te produceren, het invallende zonlicht leidt tot gekatalyseerde chemische reacties, uiteindelijk brandstof opwekt.

"Hier, de brandstoffen die we beschrijven zijn niet gebonden aan fossiele koolstofbronnen. We kunnen chemie ontwikkelen die ofwel koolstofvrij is, inclusief de omzetting van water in waterstofgas, die als brandstof kunnen dienen, of we kunnen CO . gebruiken 2 uit de atmosfeer om koolstofhoudende brandstoffen te genereren, "zegt Moore. "In dit laatste voorbeeld, hoewel de resulterende brandstoffen op koolstof zijn gebaseerd, geen nieuwe bronnen van CO 2 komen vrij in de atmosfeer." Het proces is een vorm van koolstofrecycling.

Moore verwijst naar dergelijke technologieën als foto-elektrosynthetisch. Hoewel ze een belangrijke belofte inhouden voor de productie van schone energie en schonere opwekking van nuttige industriële producten, het begrijpen van de chemie op zowel theoretisch als praktisch niveau is een uitdaging. De fotonen van licht en ladingsdragers die worden gebruikt om katalyse op gang te brengen, zijn kwantumentiteiten, met bijzonder subtiele eigenschappen die onderzoekers nog steeds moeite hebben om nauwkeurig te modelleren.

Het produceren van effectieve technologieën om toekomstige energie-uitdagingen aan te pakken, vereist een grondiger wiskundig begrip van de dynamiek van het oogsten van licht, evenals van katalytische processen en ladingsbeweging. De huidige studie biedt een voorzichtige stap in die richting.

Naast deze vorderingen, onderzoekers in de materiaalkunde zullen materialen moeten ontwerpen die beter in staat zijn om deze processen te benutten, vervaardigd uit duurzame en betaalbare materialen.

Nieuwe paden door het energielabyrint

Naast de zuiver wetenschappelijke hindernissen die moeten worden aangepakt, Moore stelt dat veranderingen in het overheidsbeleid cruciale drijfveren zullen zijn om groenere energietechnologieën te laten slagen. "Het is ontmoedigend om te concurreren met een bestaande technologie waarbij je simpelweg een gat in de grond boort om een ​​energiebron te winnen die er al is. " zegt Moore. Een wetenschappelijk geschoold publiek, het is ook van vitaal belang om geïnformeerde stemkeuzes te maken die van invloed zijn op de manier waarop de samenleving investeert in toekomstige infrastructuur. "Willen we ervoor kiezen om te investeren in technologieën die de impact van klimaatverandering minimaliseren, of blijven we gebruik maken van een energie-infrastructuur met componenten en processen die al meer dan honderd jaar oud zijn?"

Moore hoopt dat de vooruitgang in enzymatische, elektrokatalytische en foto-elektrosynthetische technologieën zullen een belangrijke rol spelen in een duurzamere, minder destructieve energietoekomst.