Genombrott inom artificiell fotosyntes för ren kemi

Ett team av forskare från University of Cambridge och andra ledande institutioner har precis presenterat ett artificiellt blad. Denna unika design kan efterlikna fotosyntes och öppnar dörren för flera användningsområden inom ledande industrier. Så här kan artificiella blad leda till en grönare kemisk industri och mycket mer.

Kemisk industri

Kemiska tillverkare spelar en avgörande roll i dagens ekonomi och tillhandahåller nyckelingredienser för allt från gödselmedel som används för att odla din mat till läkemedel, plast och till och med skönhetsprodukter. Enligt färska rapporter är den globala kemiska industrin en enorm och komplex marknad värderad till +$6.324T i 2025. Detta värde visade en tillväxttakt på 2,3 % jämfört med föregående år. Naturligtvis kommer all denna tillväxt och produktion med en kostnad för miljön.

Största förorenaren

Den kemiska industrin förbrukar cirka 10 % av alla fossila bränslen och står för 5–6 % av de globala CO₂-utsläppen. Dessutom ansvarar industrin för 20 % av all färskvattensanvändning. Rapporter visar att över 100 miljoner kemikalier har skapats artificiellt globalt som en direkt följd av kemisk tillverkning.
Skadliga kemikalier som beständiga organiska föroreningar (POP), per- och polyfluoralkylsubstanser (PFAS) samt hormonstörande kemikalier (EDC) orsakar direkt skada på miljön och dess invånare. Det värsta är att de kvarstår i miljön i årtionden och kan till och med kombinera med andra kemikalier för att skapa ännu farligare föreningar.

Syntetisk katalysator

I åratal har ingenjörer sökt sätt att hantera detta komplexa problem. Därför har de börjat bryta ner industrin och utvärdera alla möjliga sätt att defossilisera den. En strategi fokuserar på användning av syntetiska katalysatorer eller oorganiska halvledare.
Syntetiska katalysatorer är konstgjorda kemikalier som är specifikt utformade för att påskynda komplexa kemiska reaktioner utan att påverka deras resultat. Idag används dessa kemikalier i allt från petroleumkrackning till tillverkning av plast. Därför finns ett starkt tryck att ersätta alla icke‑oskyldiga kemiska komponenter som Good’s‑buffertar, elektronmediatörer och offerreagenser.

Aktuella lösningar

Semi‑artificiell fotosyntes är ett tillvägagångssätt som fortsätter att vinna mark inom industrin. Denna metod för att påskynda kemiska reaktioner bygger på fotoelektrokemiska biohybrider för att utföra samma uppgift. Genom att använda bioengineerade enzymer har ingenjörer kunnat möjliggöra komplexa kemiska omvandlingar med hög selektivitet och effektivitet.
Denna strategi har sett flera förbättringar, inklusive möjligheten att tillverka ljusuppsamlings‑halvledare och biokatalysatorer i en enda kompakt enhet. Med detta tillvägagångssätt kan ingenjörer optimera vissa komponenter för att förbättra specifika egenskaper. Trots detta finns det fortfarande många tekniska hinder som har begränsat antagandet i fotoelektrokemiska (PEC) tillämpningar.

Problem med dessa tillvägagångssätt

Ett huvudproblem med dagens semi‑artificiella fotosyntesenheter är att de saknar stabilitet. Denna brist på stabilitet beror på att deras kemiska sammansättning förändras snabbt, vilket innebär att för att hålla dem stabila krävs ett konstant inflöde av specifika kemiska föreningar, inklusive kinetiskt snabba buffertar som hjälper till att kompensera pH‑skillnader. Diffusionsmediatörer är ett annat exempel, då de överför laddning från ljusabsorberare till biokatalysatorer.
Industriella katalysatorer är både dyra och giftiga. Dessa faktorer komplicerar arbetet med dem, vilket leder till extra kostnader och försiktighetsåtgärder. Dessutom är dessa kemikalier icke‑oskyldiga, vilket betyder att de bidrar till oxidation i metaller. När detta inträffar kan det orsaka kontaminering, katalysatorhämning eller förgiftning av hela processen.

Studie om artificiella blad

Studien¹, Semi‑artificial leaf, interfacing organic semiconductors and enzymes for solar chemical synthesis, publicerad i den vetenskapliga tidskriften Joule, introducerar en ny organisk fotovoltaisk (OPV) design som kan utföra direkt semi‑artificiell fotosyntes utan att använda skadliga katalysatorer.

Källa – Joule