تولید متان سبز با کاتالیزور جدید

یک تیم تحقیقاتی دانشگاه سیتی هنگ کنگ اخیراً یک سیستم فوتوکاتالیستی مصنوعی پایدار ساخته است که کارآمدتر از فتوسنتز طبیعی است، سیستم جدید با تقلید از یک کلروپلاست طبیعی دی اکسید کربن موجود در آب را به متان، سوختی با ارزش، با استفاده از نور بسیار کارآمد تبدیل می کند.

این کشف امیدوار کننده می تواند به هدف کاهش کربن کمک کند.

فتوسنتز فرآیندی است که طی آن کلروپلاست ها در گیاهان و برخی موجودات زنده از نور خورشید، آب و دی اکسید کربن برای تولید غذا یا انرژی استفاده می کنند و در دهه‌های گذشته، بسیاری از دانشمندان تلاش کرده‌اند فرآیندهای فتوسنتز مصنوعی را برای تبدیل دی اکسید کربن به سوخت بی‌کربن توسعه دهند.

پروفسور Ye Ruquan، دانشیار دپارتمان شیمی یکی از رهبران این مطالعه مشترک توضیح داد: با این حال، تبدیل دی اکسید کربن در آب دشوار است، زیرا بسیاری از حساس کننده ها به نور یا کاتالیزورها در آب تجزیه می شوند.

اگرچه نشان داده شده است که چرخه های فوتوکاتالیستی مصنوعی با راندمان ذاتی بالاتر عمل می کنند، انتخاب پذیری و پایداری کم در آب برای کاهش دی اکسید کربن، کاربرد عملی آنها را با مشکل مواجه کرده است.

در جدیدترین مطالعه منتشر شده در Nature Catalysis، تیم تحقیقاتی مشترک CityU، دانشگاه هنگ کنگ (HKU)، دانشگاه جیانگ سو و موسسه شیمی آلی شانگهای آکادمی علوم چین با استفاده از رویکرد مونتاژ فوق مولکولی بر این مشکلات غلبه کردند. برای ایجاد یک سیستم فتوسنتزی مصنوعی.

ساختار کروماتوفورهای جمع‌آوری نور یک باکتری بنفش (یعنی سلول‌های حاوی رنگدانه) را تقلید می‌کند که در انتقال انرژی از خورشید بسیار کارآمد هستند.

هسته سیستم فتوسنتزی مصنوعی جدید، یک نانومسل مصنوعی بسیار پایدار است – نوعی پلیمر که می تواند خود را در آب جمع و جور کند، هم دارای انتهایی آب دوست (آب دوست) و هم دارای انتهایی آبگریز (آب گریز).

سر آبدوست نانو سلول به عنوان یک حساس کننده نور برای جذب نور خورشید عمل می کند و دم آبگریز آن به عنوان یک محرک برای خودآرایی عمل می کند.

هنگامی که در آب قرار می‌گیرد، نانومیسل‌ها به دلیل پیوند هیدروژنی بین مولکولی بین مولکول‌های آب و دم، خودآرایی می‌شوند همچنین افزودن کاتالیزور کبالت منجر به تولید هیدروژن فوتوکاتالیستی و کاهش دی اکسید کربن و در نتیجه تولید هیدروژن و متان می شود.

این تیم با استفاده از تکنیک‌های تصویربرداری پیشرفته و طیف‌سنجی فوق‌سریع، از ویژگی‌های اتمی حساس‌کننده نوری نوآورانه رونمایی کردند.

آنها کشف کردند که ساختار ویژه سر آبدوست نانوسل، همراه با پیوند هیدروژنی بین مولکول‌های آب و دم نانوسل، آن را به یک حساس‌کننده نور مصنوعی پایدار و سازگار با آب تبدیل می‌کند و مشکل ناپایداری معمولی و ناسازگاری آب فتوسنتز مصنوعی را حل می‌کند.

برهمکنش الکترواستاتیکی بین حساس‌کننده نور و کاتالیزور کبالت، و اثر آنتن جمع‌آوری نور قوی نانو سلول، فرآیند فوتوکاتالیستی را بهبود بخشید. در این آزمایش، تیم دریافت که نرخ تولید متان بیش از 13000 میکرومول در ساعت-1 گرم-1 است. ، با بازده کوانتومی 5.6٪ در 24 ساعت.

همچنین به نرخ بهره وری بسیار کارآمد خورشید به سوخت 15 درصد دست یافت که از فتوسنتز طبیعی پیشی گرفت.

مهمتر از همه، سیستم فوتوکاتالیستی مصنوعی جدید از نظر اقتصادی مقرون به صرفه و پایدار است، زیرا به فلزات گران قیمت متکی نیست.

پروفسور Ye گفت: خودآرایی سلسله مراتبی این سیستم یک استراتژی امیدوارکننده از پایین به بالا برای ایجاد یک سیستم فوتوکاتالیستی مصنوعی با کارایی بالا و دقیق بر اساس عناصر ارزان و فراوان زمین، مانند مجتمع‌های پورفیرین روی و کبالت ارائه می‌کند.

پروفسور Ye همچنین اظهار داشت که او معتقد است آخرین کشف به نفع و الهام بخش طراحی منطقی سیستم های فوتوکاتالیستی آینده برای تبدیل و کاهش دی اکسید کربن با استفاده از انرژی خورشیدی خواهد بود و به هدف بی طرفی کربن کمک می کند.

این مطالعه توسط منابع مالی مختلفی از جمله بنیاد ملی علوم طبیعی چین، صندوق تحقیقات پایه و کاربردی گوانگدونگ، برنامه علم و فناوری شنژن و شورای کمک هزینه تحقیقاتی هنگ کنگ حمایت شد.

برگ مصنوعی تولید سوخت از CO2 در اتمسفر در طول سال‌ها جایگاه زیادی به دست آورده است. ممکن است این فناوری راه حلی برای افزایش هزینه های سوخت های فسیلی باشد. این به تمدن بشری مسیری را برای مشارکت در چرخه کربن سیاره بدون تغییر گسترده در جو یا زیرساخت کاملاً جدید ارائه می دهد.

می‌توان متان و همچنین الکترون‌ها را خالص کرد و بازگشت به یک سیستم ذخیره سازی متمرکز که بسیاری از آنها در حال حاضر در حال استفاده هستند، هزینه سرمایه هنگفتی نخواهد داشت.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.