Pagtuklas sa Artipisyal na Fotosintesis para sa Malinis na Kimika

Isang pangkat ng mga mananaliksik mula sa University of Cambridge at iba pang nangungunang institusyon ang kamakailan lamang nagpakilala ng isang artipisyal na dahon. Ang natatanging disenyo na ito ay maaaring tularan ang fotosintesis, na nagbubukas ng pinto para sa ilang mga gamit sa mga nangungunang industriya. Narito kung paano maaaring magdulot ng mas luntiang industriya ng kimika ang mga artipisyal na dahon at marami pang iba.

Industriyang Kimikal

Ang mga tagagawa ng kemikal ay may mahalagang papel sa ekonomiya ngayon, na nagbibigay ng mga pangunahing sangkap para sa lahat mula sa pataba na ginagamit upang itanim ang iyong pagkain hanggang sa mga gamot, plastik, at kahit mga produktong pampaganda. Ayon sa mga kamakailang ulat, ang pandaigdigang industriya ng kimika ay isang napakalaki at komplikadong pamilihan na may halaga na +$6.324T noong 2025. Ipinakita ng halagang ito ang 2.3% na paglago kumpara sa nakaraang taon. Siyempre, ang lahat ng paglago at produksyon na ito ay may kapalit na gastos sa kapaligiran.

Pangunahing Tagapagpolusyon

Ang industriya ng kimika ay kumokonsumo ng humigit-kumulang 10% ng lahat ng fossil fuel at responsable sa 5-6% ng mga emisyon ng CO₂ sa buong mundo. Bukod pa rito, ang industriya ay responsable sa 20% ng lahat ng paggamit ng sariwang tubig. Ipinapakita ng mga ulat na higit sa 100 milyong kemikal ang artipisyal na nilikha sa buong mundo bilang direktang resulta ng paggawa ng kemikal.
Ang mga mapanganib na kemikal tulad ng persistent organic pollutants (POPs), per- at polyfluoroalkyl substances (PFAS), at endocrine-disrupting chemicals (EDCs) ay nagdudulot ng direktang pinsala sa kapaligiran at sa mga naninirahan dito. Pinakamasama, nananatili ang mga ito sa kapaligiran ng mga dekada at maaaring magsanib sa ibang kemikal upang lumikha ng mas mapanganib na mga compound.

Sintetikong Katalista

Sa loob ng maraming taon, ang mga inhinyero ay naghahanap ng mga paraan upang harapin ang komplikadong problemang ito. Dahil dito, sinimulan nilang hatiin ang industriya at suriin ang bawat posibleng paraan upang alisin ang paggamit ng fossil fuel. Isang estratehiya ang nakatuon sa paggamit ng sintetikong katalista o mga inorganikong semiconductor.
Ang mga sintetikong katalista ay mga kemikal na gawa ng tao na partikular na dinisenyo upang pabilisin ang mga komplikadong reaksyong kemikal nang hindi nakakaapekto sa kanilang resulta. Sa kasalukuyan, ginagamit ang mga kemikal na ito sa lahat mula sa pag-crack ng petrolyo hanggang sa paggawa ng plastik. Dahil dito, may matinding pagsisikap na palitan ang lahat ng hindi inosenteng sangkap ng kemikal tulad ng Good’s buffers, electron mediators, at sacrificial reagents.

Kasalukuyang Mga Solusyon

Ang semi-artificial na fotosintesis ay isang lapit na patuloy na kumukuha ng atensyon sa industriya. Ang pamamaraang ito ng pagpapabilis ng mga reaksyong kemikal ay nakasalalay sa mga photoelectrochemical biohybrids upang maisakatuparan ang parehong gawain. Sa paggamit ng mga bioengineered na enzyme, nagawang payagan ng mga inhinyero ang komplikadong mga konbersyon ng kemikal na may mataas na selektibidad at kahusayan.
Ang estratehiyang ito ay nakaranas ng ilang mga pagpapabuti, kabilang ang kakayahang gumawa ng mga semiconductor na sumasalo ng liwanag at mga biocatalyst sa isang compact na aparato. Sa paggamit ng lapit na ito, maaaring i-optimize ng mga inhinyero ang ilang mga bahagi upang mapabuti ang tiyak na kakayahan. Gayunpaman, marami pa ring mga teknolohikal na balakid na naglilimita sa pag-aampon sa mga aplikasyon ng photoelectrochemical (PEC).

Mga Suliranin na Hinarap ng mga Lapit na Ito

Isang pangunahing isyu sa mga kasalukuyang semi-artificial na aparato ng fotosintesis ay ang kawalan ng katatagan. Ang kawalan ng katatagan na ito ay dahil mabilis na nagbabago ang kemikal na komposisyon nito, na nangangahulugang upang mapanatili itong matatag ay kailangan ng patuloy na pagdaloy ng mga tiyak na kemikal, kabilang ang mga kinetically fast buffers, na tumutulong upang balansehin ang mga pagkakaiba sa pH. Ang diffusion mediators ay isa pang halimbawa, dahil naglilipat ito ng karga mula sa mga light absorber patungo sa mga biocatalyst.
Ang mga industrial na katalista ay parehong mahal at nakakalason. Ang mga salik na ito ay nagpapahirap sa paggamit ng mga ito, na nagreresulta sa karagdagang gastos at pag-iingat. Gayundin, ang mga kemikal na ito ay hindi inosente, na nangangahulugang nag-aambag sila sa oksidasyon ng mga metal. Kapag nangyari ito, maaaring magdulot ito ng kontaminasyon, paghadlang sa katalista, o pagkalason ng buong proseso.

Pag-aaral sa Artipisyal na Dahon

Ang pag-aaral¹, Semi-artificial leaf, interfacing organic semiconductors and enzymes for solar chemical synthesis, na inilathala sa siyentipikong journal na Joule, ay nagpakilala ng isang bagong disenyo ng organic photovoltaic (OPV) na maaaring magsagawa ng direktang semi-artificial na fotosintesis nang hindi gumagamit ng mapanganib na mga katalista.

Pinagmulan – Joule