En nanomaterialer kjemiker har funnet ut en god måte å etterligne blader og slå vann og karbondioksid til ting vi trenger.
Også omtalt i:
MIT Technology Review magazine
Januar/Februar 2016
Mer i denne saken”
Peidong Yang
På en solrik dag på campus ved University of California, Berkeley, fredelig rasling av eukalyptus trær ikke står i forhold til den rasende kjemisk aktivitet som skjer inne i hver enkelt blad. Gjennom fotosyntesen, blader bruke energien i sollyset til å slå vann og karbondioksid til stoffer som plantene trenger, avgir bare oksygen i prosessen. I et nærliggende lab, kjemiker Peidong Yang er å bygge en kunstig system som gjør det samme, ved hjelp av matriser av nanotråder kombinert med konstruert for bakterier. Hvis noe sånt som dette er aldri noen som skaleres opp, ville det churn ut en bedre versjon av drivstoffet vi bruker i dag—en som ikke legge til den totale mengden av karbondioksid i luften.
Fotosyntesen har vært svært vanskelig å imitere i laboratoriet. På 1970-tallet, har forskere ved University of Tokyo viste for første gang at en solar-drevet enhet kan gjøre hva planter i første trinn av fotosyntesen: split vann til hydrogen og oksygen. Etter en første utbrudd av aktiviteten innen fast. Men det har blitt gjenfødt i flere laboratorier takket være en fornyet fokus på energi-problemet og klima—og på grunn av fremveksten av nye teknologier.
1. Dette lille reaktoren fylt med kjemiske forløperne og vann varmes opp i en ovn for å vokse titandioksid nanotråder.
2. Silicon nanotråder er vokst fra gassform forløpere som flyter gjennom denne reaktoren.
3. Silicon nanotråder kan også dyrkes på større flater slik som denne platen. Det blir kuttet i biter som fungerer som elektroder inne i enheten.
4. Bakterier i denne inkubatoren vil bli fordelt på en elektrode til å fungere som levende katalysatorer.
Yang ‘ s lab er bedre på en grunnleggende design som ble utviklet på 1970-tallet ved National Renewable Energy Laboratory. Den har to lys-sensitive elektroder belagt med en katalysator—Yang er ved hjelp av nikkel, som er billig—som sammen split vann til oksygen og hydrogen. I den opprinnelige installasjonen, elektroder var flat, men Yang i stedet bruker matriser av nanotråder laget av silisium og andre halvledere. Fordi nanotråder har 100 ganger arealet av flatskjerm elektroder som kan passe inn i samme rom, og at de kan holde på mer av katalysator, i stor grad øke effektiviteten av reaksjonen.
Imidlertid, splitting vann er lett halvparten av fotosyntesen. Planter gå videre, ved hjelp av hydrogen fra vann i reaksjoner som slår karbon fra luften inn i komplekse molekyler. Yang ønsker å gjøre dette også. Tross alt, våre fly og biler som ikke går på hydrogen, de trenger bensin og andre kjemisk komplekse brensel.
5. Inne i denne enheten, lys krefter en reaksjon der vann og karbondioksid er konvertert til drivstoff. Slangen gjør at reaksjonen er siden produkt—ren oksygen—å flykte.
6 og 7. Noen bakterier i systemet produserer metan, som kan brukes direkte som drivstoff, mens andre gjør acetat, som er matet til andre genmodifiserte bakterier til å lage drivstoff og plast. Her, konstruert E. coli-feed på acetat.
8. Analytisk verktøy, inkludert masse spektrometer brukes til å bekrefte at bakterier foretatt kjemiske. Så langt, systemet er så effektiv som naturlig fotosyntesen.
For å katalysere som en del av prosessen, Yang er avhengig av en annen teknologi som ikke var rundt i ’70-tallet. Han og kolleger har vist at genmodifiserte bakterier som ligger midt i den nanotråder funksjon som “levende katalysatorer.” De tar opp splitte hydrogen fra vann og kombinere det med karbondioksid for å gjøre metan og andre hydrokarboner som er nødvendig for brensel eller plast. Bugs gjøre dette med naturlige enzymer som utfører en rekke reaksjoner kjemikere har ennå ikke vært i stand til å mestre med syntetiske katalysatorer.
Yang ‘ s system for tiden kamper effektiviteten av fotosyntesen, lagring under 1 prosent av energien som er tatt fra sollys i form av kjemiske forbindelser. Det er ikke dårlig for en proof-of-concept demonstrasjon, men å gjøre den mer effektiv og dermed kostnadseffektive vil være avgjørende.
Yang håp for til slutt å bytte til syntetiske katalysatorer i stedet for bakterier, som er vanskelig å holde i live. Men fullt ut eliminere feil kan ikke være nødvendig, gitt det presserende behovet for rene brensler. “Hvis det å være en hybrid tilnærming, det er greit,” sier han.
0 kommentarer