Maaari bang Buksan ng Artipisyal na Fotosintesis ang Ekonomiyang Hydrogen?

Pagpapalit sa Natural na Fotosintesis

Malaki ang bahaging ginagampanan ng fotosintesis sa enerhiyang ginagamit natin, tuwiran man o hindi. Dito nagmumula ang enerhiya sa pagkaing nagpapagana sa ating katawan. Ang mga fossil fuel naman ay nagmula sa mga sinaunang organismo, kabilang ang mga halaman at algae, na nag-imbak ng enerhiya mula sa araw.

Kaya maraming pagsisikap ang nakatuon sa pagpapahusay ng natural na fotosintesis o sa paggamit nito sa mga bagong paraan, gaya ng paggawa ng biofuel mula sa algae. Ang pagpapalawak nito ay maaaring makatulong sa pagbawas ng netong emisyon ng CO2, depende sa kabuuang proseso ng produksyon.

Ngunit maaari bang gayahin ang ilang hakbang ng fotosintesis nang hindi gumagamit ng buhay na organismo? Ang mga reaksiyong dulot ng liwanag ay maaari ring isagawa sa mga sintetikong sistema. Ito ang layunin ng tinatawag na « artipisyal na fotosintesis ».

Sa halip na gawing kuryente muna ang sikat ng araw, gaya ng photovoltaic na selula, maaaring gamitin ang liwanag upang magpasimula ng mga reaksiyong kemikal. Iba itong paraan ng pag-iimbak ng enerhiya, hindi isang napatunayang pangkalahatang pag-angat sa kahusayan kaysa sa photovoltaics.

Tinalakay ng tatlong mananaliksik mula sa Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) at University of Tokyo ang mga posibilidad na ito sa isang artikulong pagsusuri sa Chemical Communications na pinamagatang « Mga hydrogel na hango sa biyolohiya: mga disenyo ng polimer tungo sa artipisyal na fotosintesis¹ ». Hindi ito ulat ng isang bagong sistemang napatunayang gumagana sa antas-industriyal.

Paano Gumagana ang Fotosintesis?

Sa mga halaman, ang fotosintesis ay, sa pinasimpleng paliwanag, paggamit ng liwanag upang gawing carbohydrate ang CO2 at tubig, kasabay ng paglabas ng oxygen.

Pinagmulan: Britannica

Maaaring ibuod ito sa isang maikling ekwasyong kemikal. Gayunman, hindi ibig sabihin na madaling gayahin ang lahat ng reaksiyong nakapaloob dito.

Pinagmulan: Britannica

Napakakomplikado ng aktuwal na proseso ng fotosintesis sa halaman. Mayroon itong maraming magkakasunod na reaksiyon, sari-saring sangkap, at mga mekanismo ng paglipat ng elektron na patuloy pang pinag-aaralan.

Ang paliwanag tungkol dito sa ensiklopediyang Britannica ay nagpapakita ng lawak ng paksa. Gumagamit ang mga siyentipiko ng detalyadong mga dayagram upang maipakita ang magkakaugnay na hakbang ng fotosintesis:

Pinagmulan: Lumen Learning

Bagaman pangunahing lumilikha ng carbohydrate ang fotosintesis sa kalikasan, maaaring gamitin ang liwanag upang magpatakbo ng iba pang reaksiyong kemikal. Kabilang dito ang photocatalysis para sa paggawa ng hydrogen mula sa tubig.

Mga Hydrogel na Hango sa Biyolohiya para sa Produksyon ng Hydrogen

Sa natural na fotosintesis, ang oksidasyon ng tubig ay naglalabas ng oxygen, mga proton na H+ at mga elektron. Maaaring pag-aralan nang hiwalay ang mga reaksiyong kaugnay ng paggawa ng hydrogen sa halip na gayahin ang buong proseso. Isa sa mga paraang tinatalakay ng mga mananaliksik ang paggamit ng hydrogel.

Pinagmulan: Chemical Communications

Maaaring pagsamahin sa hydrogel ang mga kompleks ng ruthenium at mga nanopartikulo ng platinum upang suportahan ang mga reaksiyong pinapagana ng liwanag. Mahalaga ang paraan ng pagkakaayos ng mga sangkap na ito:

« Ang kakaiba rito ay ang pagkakaayos ng mga molekula sa loob ng hydrogel. Sa paglikha ng isang organisadong kapaligiran, naging mas mahusay ang proseso ng pagpapalit ng enerhiya. »

Reina Hagiwara — mag-aaral ng doktorado sa JAIST

Pinagmulan: Chemical Communications

Pinahusay na Kahusayan

Maaaring pigilan ng hydrogel ang pagkumpol ng mga aktibong sangkap, isang problemang nakababawas sa bisa ng ilang sistemang photocatalytic.

« Ang pinakamalaking hamon ay ang pagtukoy kung paano aayusin ang mga molekulang ito upang maayos silang makapaglipat ng mga elektron. Sa paggamit ng isang network ng polimer, napigilan namin ang kanilang pagkumpol, na karaniwang problema sa mga sintetikong sistema ng fotosintesis. »

Kosuke Okeyoshi — katuwang na propesor sa JAIST

Ayon sa pahayag ng JAIST, ang organisadong mga sistemang ito ay maaaring magpahusay sa aktibidad na photocatalytic at sa produksyon ng hydrogen. Gayunman, kailangang tukuyin ang mga kondisyon at sistemang pinaghahambing bago magpahayag ng pangkalahatang bentahe.

Pinagmulan: Chemical Communications

Gel na Nakakakuha ng Liwanag

Maaari ring makatulong ang disenyo ng gel sa pakikipag-ugnayan ng liwanag sa mga aktibong sangkap. Hindi ito literal na pagkukulong sa lahat ng liwanag, kundi pagpapahusay sa pagsipsip at paggamit nito.

Maaaring idisenyo ang mga microgel na mas maliit kaysa sa wavelength ng nakikitang liwanag. Nagbibigay rin ang network ng polimer ng paraan upang isaayos ang mga kompleks ng ruthenium at mga nanopartikulo ng platinum.

Pinagmulan: Chemical Communications

Ang Susi sa Rebolusyong Hydrogen?

Matagal nang pinag-aaralan ang hydrogen at ang ammonia na ginagawa mula rito bilang mga tagapagdala ng enerhiya. Ang kanilang benepisyong pangkapaligiran ay nakasalalay sa paraan ng produksyon at paggamit.

Dahil nakaimbak sa anyong kemikal ang enerhiya, maaaring maging kapaki-pakinabang ang hydrogen para sa pangmatagalang imbakan at sa ilang aplikasyon sa paglalayag o mabibigat na industriya. Hindi ito nangangahulugang mas mahusay ito kaysa sa baterya sa lahat ng gamit.

Nangangailangan ng malaking suplay ng kuryente ang paggawa ng hydrogen sa pamamagitan ng electrolysis. May mga pagkawala ng enerhiya at gastos sa kagamitan, ngunit hindi tamang sabihing laging nasasayang ang karamihan ng enerhiyang ginagamit. Nag-iiba ang kahusayan ayon sa teknolohiya at kondisyon ng operasyon.

Sa produksyon gamit ang solar photovoltaics, maaaring ganito ang pangkalahatang daloy: liwanag -> kuryenteng DC -> electrolysis -> hydrogen. May kaakibat na pagkawala ng enerhiya, kapital & kagamitan ang bawat hakbang.

Kung kailangang gawing AC ang kuryente at ipadala sa grid mula sa solar farm patungo sa lugar ng produksyon ng hydrogen, may karagdagang gastos at pagkawala ng enerhiya. Hindi lahat ng disenyo ay nangangailangan ng parehong pagkakaayos.

Maaaring direktang gamitin ng photocatalysis ang liwanag sa mga reaksiyong gumagawa ng hydrogen, nang hindi muna lumilikha ng kuryente sa hiwalay na photovoltaic na aparato. Gayunman, nananatili ang maraming hakbang na kemikal at mga limitasyon sa kahusayan.

Ang Mga Susunod na Hakbang

Mas Mahuhusay na Polimer

Ipinapakita ng artikulong pagsusuri kung bakit mahalaga ang maingat na pagkakaayos ng mga sangkap na photocatalytic. Ang mga hydrogel ay isa sa mga posibleng kasangkapan, ngunit kailangan pa ng pagpapahusay at pagsubok bago malawakang gamitin sa industriya.

Maaaring bumuo ng mas sopistikadong mga network ng polimer upang mapahusay ang pagkakalagay ng mga katalista, lawak ng ugnayan at pagsipsip ng liwanag. Kabilang sa mga posibleng direksiyon ang mga organisadong molekular na estruktura at mga sistemang hango sa biyolohiya, gaya ng tubulin at microtubule.

Higit Pa sa Hydrogen

Hindi lamang paggawa ng hydrogen ang maaaring gamitan ng mga reaksiyong pinapagana ng sikat ng araw.

Halimbawa, nakabuo ang mga mananaliksik sa Osaka ng paraan upang gumawa ng fumaric acid mula sa bicarbonate at pyruvic acid na nagmula sa biomass, gamit ang ibang sistema ng artipisyal na fotosintesis.

Lampas sa Platinum

Gumagamit ang ilang sistema ng platinum o iba pang mamahaling metal, kabilang ang ruthenium, bilang bahagi ng mga katalista. Isa ito sa mga aplikasyon na maaaring isaalang-alang sa pagsusuri sa pamumuhunan sa platinum, kasama ng paggamit nito sa mga sasakyan.

Hinihikayat naman ng mataas na halaga ng platinum ang pananaliksik sa mga alternatibong mas mura.

Mababasa ang ilang halimbawa sa « Mga pagsulong sa produksyon ng hydrogen gamit ang electrolysis na nakabatay sa nickel » at « Paggawa ng hydrogen sa paghahati ng tubig gamit ang nakabaong mga pinagkatamang metal ».

Maaaring pag-aralan kung magagamit sa mga hydrogel at sistemang photocatalytic ang ilan sa mga alternatibong katalistang ito. Hindi pa nito pinatutunayan na makagagawa ng napakamurang hydrogen gamit lamang ang murang metal, polimer at sikat ng araw.

Pamumuhunan sa Artipisyal na Fotosintesis at Hydrogen

Noong 2024, nasa yugto pa ng pananaliksik at eksperimento ang maraming anyo ng artipisyal na fotosintesis. Gayunman, interesado ang mga kumpanya sa mga posibleng aplikasyon ng hydrogen sa hinaharap.

Maaaring bumili ng pisikal na platinum, gaya ng mga barya o bar, mula sa mga nagbebenta ng mahalagang metal. Mayroon ding alahas na platinum, bagaman iba ang gastos, kadalisayan at halagang maibebenta nitong muli. Hindi katumbas ng direktang pamumuhunan sa hydrogen ang paghawak ng platinum.

May mga pondong may hawak na pisikal na platinum, gaya ng abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT) at GraniteShares Platinum Trust (PLTM).

Maaaring mamuhunan sa mga kumpanyang may kaugnayan sa hydrogen sa pamamagitan ng mga broker. Dito sa securities.io, makikita ang aming mga pagpili ng broker para sa Estados Unidos, Canada, Australia, United Kingdom, at marami pang ibang bansa.

Para sa mas malawak na pagkakalantad sa mga kumpanyang gumagamit o gumagawa ng mga materyal na pang-industriya, may VanEck Rare Earth and Strategic Metals ETF (REMX); hindi ito direktang pondong platinum. May mga pondong nakatuon sa hydrogen, gaya ng Global X Hydrogen ETF (HGEN) at VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO). Nagbibigay ang mga ito ng magkakaibang pagkakalantad sa sektor, ngunit hindi inaalis ang mga panganib ng pamumuhunan.

Kumpanya ng Hydrogen

BLDP Tsart ng Presyo

Gumagawa ang Ballard ng mga fuel cell at kabilang sa mga naunang kumpanya sa teknolohiyang ito. Inilunsad nito ang una nitong bus na pinapagana ng fuel cell noong 1993.

Nakatuon ang kumpanya sa mabibigat na aplikasyon: mga bus, trak, tren at tram, barko, pagmimina, konstruksiyon at suplay ng kuryente. Sa mga naunang pagtataya nito, inaasahan nitong magiging mahalagang bahagi ng negosyo ang mga trak pagsapit ng 2025. Inaasahan din nitong mananatiling pangunahing merkado ang Europa, sa 50–60%, kasunod ang Hilagang Amerika sa 25%. Mga pagtataya ito ng kumpanya, hindi garantisadong resulta.

Sa mga pagtatayang pangmerkado ng Ballard, maaaring umabot sa $7.5 bilyon ang merkado ng mga fuel cell para sa trak sa 2030, mula sa tinatayang kabuuang potensiyal na merkadong $195 bilyon. Mga pagtataya sa pagkakataong pangnegosyo ang mga bilang na ito, hindi aktuwal na kita o garantisadong paglago.

Pinagmulan: Ballard

Ang mataas na pangangailangan sa lakas at mabilis na pagpuno ng hydrogen ay maaaring gawing angkop ang mga fuel cell sa ilang mabibigat na sasakyan. Nakasalalay ang paghahambing sa mga sasakyang de-baterya sa ruta, imprastraktura, gastos at pinagmulan ng hydrogen.

Sa ilang rutang riles, maaaring mabawasan ang pangangailangan para sa kawad na catenary. Para naman sa malalayuang biyahe, ang hydrogen ay pinupunan sa tangke, hindi muling kinakargahan gaya ng baterya.

Pinagmulan: Ballard

Mayroon ding gawain ang kumpanya na may kaugnayan sa ammonia. Kabilang dito ang kasunduang inanunsiyo noong 2022 sa Amogy upang magbigay ng mga fuel cell para sa sistemang gumagawa ng kuryente mula sa ammonia, gamit ang teknolohiyang naghihiwalay ng hydrogen mula rito.

Maaaring mas mahirap bawasan ang emisyon ng ilang mabibigat na sasakyan kaysa sa mga pampasaherong kotse, kaya patuloy na pinag-aaralan ang iba-ibang teknolohiya.

Maaaring makinabang ang Ballard sa mga patakarang sumusuporta sa paggamit ng hydrogen. Nakasalalay pa rin ang mga resulta nito sa gastos, kompetisyon, demand at pagpapatupad ng mga proyekto.

Bilang tagagawa ng mga fuel cell, maaaring makinabang ang kumpanya kung bababa ang gastos ng angkop na suplay ng hydrogen. Gayunman, hindi awtomatikong nagiging mas mataas na kita ang mga pagsulong sa produksyon, gumagamit man ng platinum, photocatalysis o ibang pamamaraan.

Pag-aaral na Sanggunian:

^{1. Hagiwara, R., Yoshida, R., & Okeyoshi, K. (2024). Bioinspired hydrogels: polymeric designs towards artificial photosynthesis. Chemical Communications, 60, 13314–13324. https://doi.org/10.1039/D4CC04033C}