U novom projektu, istraživači oponašaju prirodni proces fotosinteze korištenjem bakterija za isporuku elektrona nanokristalnom poluprovodničkom fotokatalizatoru.
U radu objavljenom u časopisu PNAS, Kara Bren i Todd Krauss, profesori hemije, pokazali su da bakterija Shewanella oneidensis može na učinkovito besplatan način osigurati elektrone njihovom sistemu umjetne fotosinteze.
Idealno gorivo
Vodik je “idealno gorivo”, kaže Bren, “jer je ekološki prihvatljiv i alternativa fosilnim gorivima s ugljikom.”
Vodik je najzastupljeniji element u svemiru i može se proizvesti iz različitih izvora, uključujući vodu, prirodni gas i biomasu. Za razliku od fosilnih goriva, koja proizvode stakleničke gasove i druge zagađivače, kada se vodik sagorijeva jedini nusproizvod je vodena para. Vodikovo gorivo također ima visoku gustoću energije, što znači da sadrži puno energije po jedinici težine. Može se koristiti u različite svrhe, uključujući gorivne ćelije, i može se izraditi u malim i velikim razmjerima, što ga čini pogodnim za sve, od kućne upotrebe do industrijske proizvodnje.
Izazovi korištenja vodika
Unatoč izobilju vodika, na Zemlji praktično nema čistog vodika. Vodik je skoro uvijek vezan za druge elemente poput ugljika ili kisika, u spojevima kao što su ugljikovodici i voda. Da bi se koristio kao izvor goriva, vodik se mora ekstrahovati iz tih spojeva.
Naučnici su kroz historiju izdvajali vodik ili iz fosilnih goriva ili, u novije vrijeme, iz vode. Za izdvajanje vodika iz vode, postoji veliki interes za korištenje umjetne fotosinteze.
Tokom prirodne fotosinteze biljke apsorbiraju sunčevu svjetlost, koju koriste za pokretanje hemijskih reakcija u kojima se ugljični dioksid i voda pretvaraju u glukozu i kisik. U suštini, svjetlosna energija se pretvara u hemijsku energiju koja služi kao gorivo organizmu.
Slično tome, umjetna fotosinteza je proces pretvaranja velike količine sirovog materijala i sunčeve svjetlosti u hemijsko gorivo. Sistemi koji oponašaju fotosintezu zahtijevaju tri komponente: apsorber svjetlosti, katalizator za proizvodnju goriva i izvor elektrona. Ti su sistemi obično uronjeni u vodu, a izvor svjetlosti daje energiju apsorberu svjetlosti. Pomoću te energije, katalizator spaja dostavljene elektrone zajedno s protonima iz okolne vode i proizvodi vodikov gas.
Međutim, većina trenutnih sistema oslanja se na fosilna goriva tijekom procesa proizvodnje ili nema učinkovit način prijenosa elektrona.
Rochesterov jedinstveni sistem za umjetnu fotosintezu
Kraussova grupa i Brenova grupa radile su oko deset godina na razvoju učinkovitog sistema umjetne fotosinteze koji koristi poluprovodničke nanokristale kao apsorbere svjetlosti i katalizatore.
Jedan od izazova za istraživače bio je pronaći izvor elektrona i učinkovito prenijeti elektrone od donora elektrona do nanokristala. Drugi sistemi koriste askorbinsku kiselinu, poznatu kao vitamin C, za vraćanje elektrona natrag u sistem. Iako se vitamin C može činiti jeftinim, “trebate izvor elektrona koji je gotovo besplatan ili sistem postaje preskup”, kaže Krauss.
U svom radu, Krauss i Bren izvještavaju o novom donoru elektrona: bakterijama. Otkrili su da Shewanella oneidensis, bakterija prvobitno detektovana u jezeru Oneida u sjevernom dijelu New Yorka, nudi učinkovito besplatan izvor elektrona.
Kada bakterije rastu u anaerobnim uslovima (uslovima bez kisika) one uzimaju ćelijske tvari kao gorivo, oslobađajući pritom elektrone. Shewanella oneidensis može elektrone generirane vlastitim unutarnjim metabolizmom donirati vanjskom katalizatoru.
Gorivo budućnosti
Bren predviđa da bi u budućnosti domovi potencijalno mogli imati bačve i podzemne spremnike kako bi iskoristili snagu sunca za proizvodnju i skladištenje malih količina vodika, što bi ljudima omogućilo da svoje domove i automobile napajaju jeftinim gorivom čistog izgaranja. Bren napominje da trenutačno postoje vozovi, autobusi i automobili koje pokreću vodikove gorive ćelije, ali gotovo sav vodik koji je dostupan za pogon ovih sistema dolazi iz fosilnih goriva.
Izvor: ScienceDaily
Prevod: AbrašMEDIA