التخليق الضوئي الإصطناعى
التخليق الضوئي الاصطناعي هوالبحث الميداني الذي يحاول تكرار العملية الطبيعية للتخليق الضوئي ، وتحويل ضوء الشمس إلى الماء ، وثاني أكسيد الكربون أوإلى الكربوهيدرات والأكسجين. في بعض الأحيان ، تحليل الماء إلى الهيدروجين والأكسجين باستخدام أشعة الشمس , وهى الطاقة هي التي يشار إليها أيضا التخليق الضوئي الاصطناعي«. وهى العملية العملية التي تسمح بنصف التفاعل الضوئي عموما حتى تجرى وهى التأكسد الضوئي. هذا تفاعل نصفى يعد ضروريا لفصل جزيئات الماء لأنه يفصل أيونات الهيدروجين والأكسجين . هذه الأيونات نحن بحاجة إليها لتحويل ثاني أكسيد الكربون الى وقود. ومع ذلك ، فإن الطريقة الوحيدة المعروفة هى بإستخدام عامل مساعد أو محفزا خارجيا، وهوعامل يمكنه حتىقد يكون قادرا على العمل بسرعة وكذلك باستمرار لإمتصاص أشعة الشمس ممثلة بالفوتونات. الأساس العام وراء هذه النظرية هوإنشاء مصنع "مصطنعة" لنوع الوقود المصدر.
الأبحاث
والبحوث التي تجرى يمكن تقسيمها إلى سلسلة من النهج :
- النهج المتبع في خلية الضوئية الكهروكيميائية
- والنهج المتبع في الخلايا الضوئية الموسومة بخلايا حساسة للضوء
- والنهج من NADP + / NADPH مرافق إنزيمى.
الخلية الضوئية الكهروكيميائية
ويجري البحث في العثور على عامل محفز الذى يمكنه تحويل المياه ، وثاني أكسيد الكربون ، وأشعة الشمس إلى الكربوهيدرات. وكان أول نوع من المواد المحفزة وعادة ما تستخدمه الطبيعة هوالمتطورة المعقدة لتحريرالأكسجين. بعد حتى درسنا هذا المركب المعقد ، فإن الباحثين قد قدموا محفزات مثل blue dimer لتقليد وظيفته ، ولكن هذه المحفزات كانت غير فعالة للغاية.ويوجد حافز آخر تم ترتيبه من قبل بول كوجيرلير, والذي يستخدم أربعة ذرات روثينيوم.
العوامل المحفزة المحولة للكربوهيدرات, وتستخدم في الطبيعة هى hydrogenase والعوامل المحفزة التى إبتكرها المهندسون هى mimic the hydrogenases وهى تضم عاملا محفزاطوره سيدريك تارد, ذرة الروديوم عاملا محفزا من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، والكوبالت عاملا محفزا من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. الدكتور نوتشيرا من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هي التي تتلقى تمويلا من مخط القوة الجوية للبحث الفهمي للمساعدة في إجراء التجارب اللازمة للمضي قدما في العامل المحفز الكوبالت البحوث التى تملها الحكومة ساعدت د. نوتشيرا في جعل البحوث ممكنة ، وهذا بدوره أدى إلى تزويدهم بنتائج قوية.
المميزات
بإستخدام التخليق الضوئي الإصطناعى ,فإن زجاجة من الماء تستطيع إنتاج طاقة لتدير منزلا.
واحدة من التأثيرات الجانبية لفاتورة المنشطات الخاصة بالعام الماضى كانت أربعمائة مليون دولار لتمويلARPA-E وهى وكالة مشاريع البحوث المتقدمة للطاقة, وهى الوكالة المدنية الشقيقة للطاقة ل DARPA. وفي هذا الأسبوع ولأول مرة فإن مؤتمر وكالة مشاريع البحوث المتقدمة , في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الكيميائى دان نوتشيرا أظهر جيدا كيف من الممكن أن أنه وضع هذه الأموال حافزا للاستخدام من خلال تسليط الضوء على التقنية الجديدة عملية التمثيل الضوئي. واستخدام عامل حفاز خاص,هذه العملية تحلل المياه الى الاكسجين والهيدروجين , وتنتج وقودا يكفي لإنتاج الطاقة في المنزل باستخدام أشعة الشمس فقط ، وزجاجة مياه.
مثل التمثيل الضوئي العضوي ، فإن تفاعل نوتشيرا يستخدم أشعة الشمس لتحويل غاز ثاني أكسيد الكربون والماء الى الاكسجين والطاقة. ومع ذلك ، بينما النباتات تحصل على الطاقة في شكل سكريات ، فأن هذه العملية تخلق الطاقة في شكل من أشكال الهيدروجين الحر. وهذا الهيدروجين يتحد مع الأوكسجين في خلايا الوقود لتوليد الكهرباء ، أويتم تحويله إلى وقود سائل. في حوالي أربع ساعات ،فإن المياه المعالجة بحافز نوتشيرا يمكن حتى ينتج 30 كيلووات / ساعة من الطاقة. وعلاوة على ذلك ، فإنها عملية رخيصة. رخيصة جدا ، في الواقع ، حتى نوتشيرا لا معضلة لديهم تخيل أنه يوميا فإن جميع بيت يولد الوقود الخاص به ، والكهرباء من عملية التمثيل الضوئي.
التحول يحدث :هل التخليق الضوئي الإصطناعى يفترض أن ينتج الطاقة للعالم؟
زجاجة واحدة من مياه الشرب يمكن حتى توفر ما يكفي من الطاقة لأسرة بأكملها في العالم النامي إذا مهدنا الطريق لدان نوتشيرا . عالم الكيمياء من M.I.T. ومؤسس شركة صن كاتاليتكس ، نوتشيرا قد طور عاملا محفزا أساسه الكوبالت وضعت على أساس لتخزين الطاقة بنفس الطريقة التى تقوم بها النباتات : عن طريق تحليل المياه.
"تقريبا جميع الطاقة الشمسية المخزنة من جراء تحلل المياه ،"أبلغ فإن وكالة مشاريع البحوث المتقدمة نوتشيرا في المؤتمر الافتتاحي لوكالة مشاريع البحوث المتقدمة للطاقة يوم 2 مارس. أظهرت حتى صن كاتاليتكس هي من بين خمس شركات لمنح التمويل الحكومي لتطوير " وقود الطاقة الشمسية المباشر" ، اطلق عليها اسم "electrofuels" إليكتروفويلز من قبل كالة مشاريع البحوث المتقدمة للطاقة ،وهى وكالة جديدة لمشاريع البحوث المتقدمة لتكنولوجيات الطاقة التحويلية. واضاف "إننا نحاكى عملية التخليق الضوئي الواسعة النطاق لتخزين الطاقة الشمسية". وفقا لنوتشيرا ، يمكن لهذا النظام الجديد العمل في درجات الحرارة المحيطة العادية وأيضا بالنسبة للضغط الجوى العادى ، دون أدنى تآكل في الزجاج من الماء ، وتستعمل حتى المياه الملوثة. "اذا كنت بحاجة الى الماء النقي لتخزين الطاقة ، وأنها يفترض أن تصبح صالحة للشرب" ، ونطق نوتشيرا. "استخدام مياه بركة بدلا من ذلك." في الواقع ،حسب نوتشيرافإنه قد تم تشغيل نموذج أولي له بإستعمال المياه غير المعالجة من نهر تشارلز في بوسطن. وانها رخيصة وليس 12،000 دولار لكل كيلوواط مثل electrolyzers التجارية والتى تعمل الشيء نفسه. واضاف "إن هذا لن يساعد في هذه الحالة الطاقة بالنسبة للولايات المتحدة أومن الفقراء في العالم".
باستخدام الكهرباء المولدة من قبل مجموعة ضوئية أبعادها خمسة امتار في ستة امتار ، نوتشيرا يدعي انه يمكن تقسيم ما يكفي من المياه في اقل من اربع ساعات "لتخزين ما يكفي من الطاقة للمنزل الأميركي العادي" ليوم واحد ، أكثر قليلا من 30 كيلوواط / ساعة. واضاف "نحن نحتاج لوقف خلق أنظمة طاقة كبيرة واحدة من الكثير من الوقت لخدمة الناس ، وعلينا حتى نعمل ذلك بالطريقة القديمة الأمريكية من خلق واحدة واحدة صغيرة ومن ثم تصنيع هذا النظام لاعطائها الى الجماهير".
His example? The automobile. After all, in 1898, concerned civic leaders from around the world gathered because estimates predicted that London would be buried under three meters of manure at then current rates of growth; New York City would have piles reaching to the third story of buildings. Within two decades, that problem was entirely gone. "They didn't see the automobile industry coming," Nocera said. "Shift happens."
الخط الزمنى للتقنية
- 1967
- Akira Fujishima discovers the Honda-Fujishima effect in titanium dioxide, which can be used for hydrolysis.
- 2000
- CSIRO press release on Artificial Photosynthesis
- 2003
- Brookhaven National Laboratory press release
- 2006
- SLAC on photogeneration cells
- 2008
- MIT Chemist Daniel G. Nocera, head of the MIT's Solar Revolution Project, and postdoctoral fellow Matthew Kanan may have significantly reduced the cost of the materials required for splitting water into its constitute components by substituting expensive platinum for inexpensive cobalt and phosphate. This breakthrough may be combined with work being done by Chemist Bjorn Winther-Jensen of Monash University in Australia in developing a low cost conducting polymer that has a large surface area and is resistant to operational degradation. Such research may herald fuel cells that can perform useful work at lower energy thresholds over a longer lifecycle and at lower cost.
- 2009
- Leibniz Institute for Catalysis reports inexpensive iron carbonyl complexes
- 2009
- University of East Anglia, A gold electrode covered with layers of indium phosphide nanoparticles for solar to hydrogen with 60% efficiency.
- 2010
- Mitsubishi is developing its own artificial photosynthesis to use sunlight, water and carbon dioxide to "create the carbon building blocks from which resins, plastics and fibers can be synthesized."
- 2010
- UCSC elemental doping and quantum dot sensitization show promise for solar hydrogen generation.
انظر أيضاً
- Photocatalytic water splitting
- تخليق ضوئي
- قائمة التكنولوجيات البازغة
- خلية ضوئية ڤولتية
- Carbon Footprint
- خلية وقود
- اقتصاد الهيدروجين
- الاحترار العالمي
- Photovoltaic module
المصادر
- http://www.popsci.com/technology/article/2010-03/video-artificial-photosynthesis-produces-enough-energy-power-house-one-bottle-water
- http://www.scientificamerican.com/blog/post.cfm?id=shift-happens-will-artificial-photo-2010-03-03
الهامش
- ^ Lynn Yarris (10 Mar 2009) Turning Sunlight Into Liquid Fuels Berkley Laboratory
- ^ Paul Kögerler
- ^ سيدريك تارد, ليوشياومينغ ، خالد سعد ابراهيم ، ماوريتسيوBruschi ، لوكا دي جويا ، وسيان جيم ديفيس ، يانغ شين ، لاي وانغ شنغ ، غاري سويرز ، وكريستوفر جيه بيكت الطبيعة (10 فبراير 2005) 433 ، 610 -- 613.
- ^ العلوم ، 31 أغسطس 2001
- ^ هوجين تاو، شيلى ؛ Cossairt ، براندي M. ؛ برونشويغ ، بروس S. ؛ لويس ، وناثان S. ؛ بيترز ، جوناس C. فهم. Commun. ، 2005 37 ،4723-4725.
- ^ مولي اشانس 26 أكتوبر 2008AF Funding Enables Artificial Photosynthesis
- ^ Scientists Developing "Artificial" Plants
- ^ Artificial Photosynthesis
- ^ Designing a Better Catalyst for Artificial Photosynthesis
- ^ Designing A Better Catalyst For 'Artificial Photosynthesis'
- ^ 2006 - photogeneration cells - Slac
- ^ Electrode lights the way to artificial photosynthesis
- ^ Solar-Power Breakthrough: Researchers have found a cheap and easy way to store the energy made by solar power
- ^ In Situ Formation of an Oxygen-Evolving Catalyst in Neutral Water Containing Phosphate and Co2+
- ^ Cobalt–phosphate oxygen-evolving compound
- ^ A Self-Healing Oxygen-Evolving Catalyst
- ^ Electrolyte-Dependent Electrosynthesis and Activity of Cobalt-Based Water Oxidation Catalysts
- ^ Light-Driven Hydrogen Generation System Based on Inexpensive Iron Carbonyl Complexes
- ^ Light-Driven Hydrogen Generation System Based on Inexpensive Iron Carbonyl Complexes
- ^ Water Splitting by Visible Light: A Nanophotocathode for Hydrogen Production
- ^ Man-made photosynthesis looking to change the world
- ^ Synergistic effect of CdSe quantum dot sensitization and nitrogen doping of TiO2 nanostructures
- ^ Composite nanomaterials show promise for solar hydrogen generation
وصلات خارجية
- Engineering light-activated metalloproteins to split water at Australia National University
- Daniel Nocera describes new process for storing solar energy at Massachusetts Institute of Technology.
- Paul Alivisatos on Artificial Photosynthesis at Lawrence Berkley National Laboratory
- Nanocapsules for artificial photosynthesis a Nanowerk News article
- http://www.popsci.com/technology/article/2010-03/video-artificial-photosynthesis-produces-enough-energy-power-house-one-bottle-water
- http://www.scientificamerican.com/blog/post.cfm?id=shift-happens-will-artificial-photo-2010-03-03
