Gennembrud i kunstig fotosyntese for ren kemi

Et team af forskere fra University of Cambridge og andre førende institutioner har netop præsenteret et kunstigt blad. Dette unikke design kan efterligne fotosyntese og åbner døren for flere anvendelsesmuligheder på tværs af førende industrier. Sådan kan kunstige blade føre til en grønnere kemisk industri og meget mere.

Kemisk industri

Kemiske producenter spiller en afgørende rolle i nutidens økonomi ved at levere de vigtigste ingredienser til alt fra gødning, der bruges til at dyrke din mad, til medicin, plast og endda skønhedsprodukter. Ifølge nylige rapporter er den globale kemiske industri et enormt og komplekst marked, der i 2025 er vurderet til +$6,324 t. Denne værdi viste en vækst på 2,3 % i forhold til året før. Naturligvis kommer al denne vækst og produktion til en pris for miljøet.

Største forurener

Den kemiske industri forbruger omkring 10 % af al fossilt brændstof og er ansvarlig for 5‑6 % af de globale CO₂-emissioner. Derudover står industrien for 20 % af al ferskvandsforbrug. Rapporter viser, at over 100 millioner kemikalier er blevet kunstigt fremstillet globalt som en direkte følge af kemisk produktion.
Skadelige kemikalier som persistente organiske forurenende stoffer (POPs), per- og polyfluoralkylstoffer (PFAS) og hormonforstyrrende kemikalier (EDC’er) forårsager direkte skade på miljøet og dets indbyggere. Det værste er, at de forbliver i miljøet i årtier og kan endda kombinere med andre kemikalier for at danne endnu mere skadelige forbindelser.

Syntetisk katalysator

I årevis har ingeniører søgt efter måder at tackle dette komplekse problem på. Som følge heraf er de begyndt at nedbryde industrien og evaluere alle mulige måder at af-fossilisere den på. En strategi fokuserer på brugen af syntetiske katalysatorer eller uorganiske halvledere.
Syntetiske katalysatorer er menneskeskabte kemikalier, der specifikt er designet til at accelerere komplekse kemiske reaktioner uden at påvirke deres resultater. I dag anvendes disse kemikalier i alt fra petroleumskræftning til fremstilling af plast. Derfor er der et stærkt pres for at erstatte alle ikke-ufarlige kemiske komponenter som Good’s‑buffer, elektronmediatører og offerreagenser.

Nuværende løsninger

Semi-kunstig fotosyntese er en tilgang, der fortsat vinder frem i industrien. Denne metode til at accelerere kemiske reaktioner bygger på fotoelektrokemiske biohybrider for at udføre den samme opgave. Ved at udnytte bioengineerede enzymer har ingeniører kunnet muliggøre komplekse kemiske omdannelser med høj selektivitet og effektivitet.
Denne strategi har set flere forbedringer, herunder muligheden for at fremstille lysopsamlende halvledere og biokatalysatorer i en enkelt kompakt enhed. Med denne tilgang kan ingeniører optimere bestemte komponenter for at forbedre specifikke egenskaber. Der er dog stadig mange teknologiske forhindringer, der har begrænset adoptionen i fotoelektrokemiske (PEC) anvendelser.

Problemer med disse tilgange

Et hovedproblem med nutidens semi-kunstige fotosyntesenheder er, at de mangler stabilitet. Denne mangel på stabilitet skyldes, at deres kemiske sammensætning ændrer sig hurtigt, hvilket betyder, at for at holde dem stabile kræves en konstant tilførsel af specifikke kemiske forbindelser, herunder kinetisk hurtige buffer, som hjælper med at udligne pH‑forskelle. Diffusionsmediatører er et andet eksempel, da de overfører ladning fra lysabsorberende materialer til biokatalysatorer.
Industrielle katalysatorer er både dyre og giftige. Disse faktorer komplicerer arbejdet med dem, hvilket medfører ekstra omkostninger og forholdsregler. Desuden er disse kemikalier ikke-ufarlige, hvilket betyder, at de bidrager til oxidation i metaller. Når dette scenarie opstår, kan det forårsage forurening, katalysatorinhibition eller forgiftning af hele processen.

Studie om kunstige blade

Studiet¹, Semi-artificial leaf, interfacing organic semiconductors and enzymes for solar chemical synthesis, offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Joule, introducerer et nyt organisk fotovoltaisk (OPV) design, der kan udføre direkte semi-kunstig fotosyntese uden brug af skadelige katalysatorer.

Kilde – Joule