Επανάσταση στην Τεχνητή Φωτοσύνθεση για Καθαρή Χημεία

Μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Cambridge και άλλα κορυφαία ιδρύματα μόλις παρουσίασαν ένα τεχνητό φύλλο. Αυτό το μοναδικό σχέδιο μπορεί να μιμηθεί τη φωτοσύνθεση, ανοίγοντας το δρόμο για πολλές εφαρμογές σε κορυφαίες βιομηχανίες. Δείτε πώς τα τεχνητά φύλλα θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μια πιο πράσινη χημική βιομηχανία και πολλά άλλα.

Χημική Βιομηχανία

Οι χημικοί κατασκευαστές παίζουν κρίσιμο ρόλο στην οικονομία του σήμερα, παρέχοντας τα βασικά συστατικά για τα πάντα, από τα λιπάσματα που χρησιμοποιούνται για την καλλιέργεια των τροφών σας μέχρι φάρμακα, πλαστικά και ακόμη και προϊόντα ομορφιάς. Σύμφωνα με πρόσφατες αναφορές, η παγκόσμια χημική βιομηχανία είναι μια τεράστια και πολύπλοκη αγορά με αξία +$6.324T το 2025. Αυτή η αξία παρουσίασε ρυθμό ανάπτυξης 2.3% σε σχέση με το προηγούμενο έτος. Φυσικά, όλη αυτή η ανάπτυξη και παραγωγή έρχεται με κόστος για το περιβάλλον.

Κύριος Ρύπαντης

Η χημική βιομηχανία καταναλώνει περίπου το 10% όλων των ορυκτών καυσίμων και είναι υπεύθυνη για το 5-6% των εκπομπών CO₂ παγκοσμίως. Επιπλέον, η βιομηχανία είναι υπεύθυνη για το 20% της χρήσης όλων των γλυκών νερών. Αναφορές δείχνουν ότι πάνω από 100M χημικές ουσίες έχουν δημιουργηθεί τεχνητά παγκοσμίως ως άμεσο αποτέλεσμα της χημικής παραγωγής.
Επικίνδυνες χημικές ουσίες όπως οι επίμονες οργανικές ρυπογόνες (POPs), οι ουσίες per- και polyfluoroalkyl (PFAS) και οι χημικές ουσίες που διαταράσσουν το ενδοκρινικό σύστημα (EDCs) προκαλούν άμεση ζημιά στο περιβάλλον και τους κατοίκους του. Το χειρότερο είναι ότι παραμένουν στο περιβάλλον για δεκαετίες και μπορούν ακόμη να συνδυαστούν με άλλες χημικές ουσίες για να δημιουργήσουν ακόμη πιο επιβλαβείς ενώσεις.

Συνθετικός Καταλύτης

Για χρόνια, οι μηχανικοί έχουν αναζητήσει τρόπους για να αντιμετωπίσουν αυτό το πολύπλοκο πρόβλημα. Ως εκ τούτου, έχουν αρχίσει να αναλύουν τη βιομηχανία και να αξιολογούν κάθε δυνατό τρόπο απο-φυσικοποίησής της. Μια στρατηγική εστιάζει στη χρήση συνθετικών καταλυτών ή άργυρων ημιαγωγών.
Οι συνθετικοί καταλύτες είναι τεχνητές χημικές ουσίες που σχεδιάζονται ειδικά για να επιταχύνουν πολύπλοκες χημικές αντιδράσεις χωρίς να επηρεάζουν τα αποτελέσματά τους. Σήμερα, αυτές οι χημικές ουσίες χρησιμοποιούνται σε όλα, από την καταστροφή πετρελαίου μέχρι τη δημιουργία πλαστικών. Ως εκ τούτου, υπάρχει έντονη ώθηση για την αντικατάσταση όλων των μη αθώων χημικών στοιχείων όπως τα buffers Good, οι ηλεκτρονικοί διαμεσολαβητές και τα θυσιαστικά αντιδραστήρια.

Τρέχουσες Λύσεις

Η ημι-τεχνητή φωτοσύνθεση είναι μια προσέγγιση που συνεχίζει να κερδίζει έδαφος στη βιομηχανία. Αυτή η μέθοδος επιτάχυνσης χημικών αντιδράσεων βασίζεται σε φωτοηλεκτροχημικά βιουβρίδια για την εκτέλεση του ίδιου έργου. Χρησιμοποιώντας βιομηχανικά ενζυματικά, οι μηχανικοί κατάφεραν να επιτρέψουν πολύπλοκες χημικές μετατροπές με υψηλή επιλεκτικότητα και αποδοτικότητα.
Αυτή η στρατηγική έχει δει πολλές βελτιώσεις, συμπεριλαμβανομένης της δυνατότητας κατασκευής ημιαγωγών που συλλέγουν φως και βιοκαταλυτών σε μια ενιαία συμπαγή συσκευή. Χρησιμοποιώντας αυτήν την προσέγγιση, οι μηχανικοί μπορούν να βελτιστοποιήσουν ορισμένα στοιχεία για να ενισχύσουν συγκεκριμένες δυνατότητες. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν πολλά τεχνολογικά εμπόδια που περιορίζουν την υιοθέτηση σε εφαρμογές φωτοηλεκτροχημικής (PEC).

Προβλήματα που Αντιμετωπίζονται με αυτές τις Προσεγγίσεις

Ένα κύριο πρόβλημα με τις σημερινές συσκευές ημι-τεχνητής φωτοσύνθεσης είναι ότι λείπει η σταθερότητά τους. Αυτή η έλλειψη σταθερότητας οφείλεται στο ότι η χημική της σύνθεση αλλάζει γρήγορα, πράγμα που σημαίνει ότι για να παραμείνει σταθερή απαιτείται συνεχής εισροή συγκεκριμένων χημικών ενώσεων, συμπεριλαμβανομένων των ταχέως κινητικών buffers, που βοηθούν στην αντιστάθμιση των διαφορών pH. Οι διαμεσολαβητές διάχυσης είναι ένα άλλο παράδειγμα, καθώς μεταφέρουν φορτίο από τους απορροφητές φωτός προς τους βιοκαταλύτες.
Οι βιομηχανικοί καταλύτες είναι τόσο ακριβοί όσο και τοξικοί. Αυτοί οι παράγοντες περιπλέκουν τη χρήση τους, οδηγώντας σε επιπλέον κόστη και προφυλάξεις. Επίσης, αυτές οι χημικές ουσίες δεν είναι αθώες, πράγμα που σημαίνει ότι συμβάλλουν στην οξείδωση των μετάλλων. Όταν συμβαίνει αυτό, μπορεί να προκαλέσει μόλυνση, αναστολή του καταλύτη ή δηλητηρίαση ολόκληρης της διαδικασίας.

Μελέτη Τεχνητών Φύλλων

Η μελέτη¹, Semi-artificial leaf, interfacing organic semiconductors and enzymes for solar chemical synthesis, που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Joule, παρουσιάζει ένα νέο οργανικό φωτοβολταϊκό (OPV) σχέδιο που μπορεί να εκτελεί άμεση ημι-τεχνητή φωτοσύνθεση χωρίς τη χρήση επιβλαβών καταλυτών.

Πηγή – Joule