Als de slimste energiebron er een is die overvloedig is, goedkoop en schoon, dan zijn planten een stuk slimmer dan mensen. Gedurende miljarden jaren, ze ontwikkelden misschien wel de meest efficiënte stroomvoorziening ter wereld: fotosynthese , of de omzetting van zonlicht, kooldioxide en water in bruikbare brandstof, daarbij bruikbare zuurstof uitstoten.

In het geval van planten (evenals algen en sommige bacteriën), "bruikbare brandstof" is koolhydraten, eiwitten en vetten. mensen, anderzijds, zijn op zoek naar vloeibare brandstof om auto's van stroom te voorzien en elektriciteit om koelkasten te laten draaien. Maar dat betekent niet dat we niet naar fotosynthese kunnen kijken om onze vuile, duur-, slinkende energie ellende. Voor jaren, wetenschappers hebben geprobeerd een manier te bedenken om hetzelfde energiesysteem te gebruiken dat planten doen, maar met een gewijzigde eindoutput.

Met alleen zonlicht als energie-input, fabrieken voeren enorme energieomzettingen uit, 1 worden 102 miljard ton (1, 000 miljard ton) CO ₂ in organisch materiaal, d.w.z., energie voor dieren in de vorm van voedsel, elk jaar [bron:Hunter]. En dat gebruikt slechts 3 procent van het zonlicht dat de aarde bereikt [bron:Boyd].

De energie die beschikbaar is in zonlicht is een onaangeboorde hulpbron waar we pas echt grip op hebben. Huidige fotovoltaïsche celtechnologie, typisch een op halfgeleiders gebaseerd systeem, is duur, niet erg efficiënt, en alleen directe conversies van zonlicht naar elektriciteit - de energie-output wordt niet opgeslagen voor een regenachtige dag (hoewel dat zou kunnen veranderen:zie "Is er een manier om 's nachts zonne-energie te krijgen?"). Maar een kunstmatig fotosynthesesysteem of een foto-elektrochemische cel die nabootst wat er in planten gebeurt, kan mogelijk een eindeloze, relatief goedkope levering van al het schone "gas" en elektriciteit die we nodig hebben om ons leven van stroom te voorzien -- en in een vorm die kan worden opgeslagen, te.

In dit artikel, we kijken naar kunstmatige fotosynthese en zien hoe ver het is gekomen. We gaan uitzoeken wat het systeem moet kunnen, bekijk enkele huidige methoden om kunstmatige fotosynthese te bereiken en ontdek waarom het niet zo eenvoudig te ontwerpen is als sommige andere energieconversiesystemen.

Dus, wat moet een kunstmatig fotosynthesesysteem kunnen?

1. Kunstmatige fotosynthesebenaderingen
2. Toepassingen voor kunstmatige fotosynthese
3. Uitdagingen bij het creëren van kunstmatige fotosynthese

Kunstmatige fotosynthesebenaderingen

Om de fotosynthese na te bootsen die planten hebben geperfectioneerd, een energieomzettingssysteem moet twee cruciale dingen kunnen doen (waarschijnlijk in een soort nanobuisje dat als het structurele "blad" fungeert:zonlicht oogsten en watermoleculen splitsen.

Planten voeren deze taken uit met chlorofyl, die zonlicht opvangt, en een verzameling eiwitten en enzymen die dat zonlicht gebruiken om H . af te breken ₂ O moleculen in waterstof, elektronen en zuurstof (protonen). De elektronen en waterstof worden vervolgens gebruikt om CO . om te zetten ₂ in koolhydraten, en de zuurstof wordt verdreven.

Om een ​​kunstmatig systeem te laten werken voor menselijke behoeften, de output moet veranderen. In plaats van alleen zuurstof vrij te geven aan het einde van de reactie, het zou ook vloeibare waterstof (of misschien methanol) moeten afgeven. Die waterstof kan direct als vloeibare brandstof worden gebruikt of in een brandstofcel worden gekanaliseerd. Het proces om waterstof te produceren is geen probleem, omdat het al aanwezig is in de watermoleculen. En het opvangen van zonlicht is geen probleem - de huidige zonne-energiesystemen doen dat.

Het moeilijke deel is het splitsen van de watermoleculen om de elektronen te krijgen die nodig zijn om het chemische proces te vergemakkelijken dat de waterstof produceert. Het splitsen van water vereist een energie-input van ongeveer 2,5 volt [bron:Hunter]. Dit betekent dat het proces een katalysator vereist - iets om het geheel in beweging te krijgen. De katalysator reageert met de fotonen van de zon om een ​​chemische reactie op gang te brengen.

Er zijn de afgelopen vijf of tien jaar belangrijke vorderingen gemaakt op dit gebied. Enkele van de meer succesvolle katalysatoren zijn:

• Mangaan :Mangaan is de katalysator die wordt aangetroffen in de fotosynthetische kern van planten. Een enkel atoom mangaan activeert het natuurlijke proces waarbij zonlicht wordt gebruikt om water te splitsen. Het gebruik van mangaan in een kunstmatig systeem is een bimimetrische benadering -- het bootst direct de biologie van planten na.
• Kleurstofgevoelig titaandioxide :Titaandioxide (TiO ₂ ) is een stabiel metaal dat kan fungeren als een efficiënte katalysator. Het wordt gebruikt in een kleurstofgevoelige zonnecel, ook bekend als een Graetzel-cel, die al bestaat sinds de jaren negentig. In een Graetzel-cel, de TiO ₂ wordt gesuspendeerd in een laag kleurstofdeeltjes die het zonlicht opvangen en vervolgens blootstellen aan de TiO ₂ om de reactie te starten.
• Kobaltoxide :Een van de meer recent ontdekte katalysatoren, clusters van kobaltoxidemoleculen (CoO) van nanoformaat zijn stabiele en zeer efficiënte triggers gebleken in een kunstmatig fotosynthesesysteem. Kobaltoxide is ook een zeer overvloedig molecuul -- het is momenteel een populaire industriële katalysator.

Eenmaal geperfectioneerd, deze systemen kunnen de manier waarop we onze wereld van stroom voorzien veranderen.

Toepassingen voor kunstmatige fotosynthese