Enerhiya
Maaaring Ang Artificial na Photosynthesis ay Magbukas ng Hydrogen Economy?
Paggawa sa Likas na Photosynthesis
Direkta o hindi direktang, isang malaking halaga ng enerhiya na ginagamit natin ay nalikha sa pamamagitan ng photosynthesis. Ito ay totoo para sa mga calorie na nagpapatakbo sa ating mga katawan, ngunit sa huli ay tungkol din sa mga fossil fuel, na sa katunayan ay “nakaimbak” na photosynthesis mula sa mga halaman na namatay noong mga daang taon na ang nakakalipas.
Kaya, maraming pagsisikap ang nakatuon sa pagbuti ng likas na photosynthesis o paggamit nito para sa mga bagong gamit, tulad ng paggawa ng biofuel mula sa algae. Ang pagbuo nito sa malaking sukat ay maaaring mahalaga sa paghihigpit sa tumataas na konsernasyon ng CO2 sa atmospera.
Ngunit paano kung maaari nating gayahin ang proseso ng photosynthesis nang hindi kinakailangan ang mga buhay na organismo? Ito ay isang electrochemical process na hindi nangangailangan ng mga buhay na cell upang mangyari. Ito ang pangako ng tinatawag na “artificial na photosynthesis”.
Ito ay magpapataas ng ating kakayahan na makakuha ng enerhiya mula sa araw nang isang hakbang sa itaas ng photovoltaics, na maaaring “lamang” gumawa ng kuryente mula sa liwanag ng araw ngunit hindi direktang makakaapekto sa mga kemikal na reaksiyon.
Tatlo na mananaliksik sa Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) at University of Tokyo ang maaaring nagdala ng teknolohiyang ito nang isang hakbang sa pagtungo sa katotohanan. Sa isang papel na inilathala sa Chemical Communications sa ilalim ng pamagat “Bioinspired hydrogels: polymeric designs towards artificial photosynthesis1“.
Paano Gumagana ang Photosynthesis?
Sa mga halaman, ang photosynthesis ay, sa malawak na salita, ang proseso ng pagkuha ng CO2 at tubig, gamit ang liwanag bilang isang pinagkuhanan ng enerhiya, at paggawa ng carbohydrates at oxygen.
Source: Britannica
Ang sabi, tila maaaring ito ay mapabuti sa isang napakasimpleng kemikal na ekwasyon at maaaring madaling gayahin nang artipisyal.
Source: Britannica
Ito ay isang ibang kuwento kapag titingnan mo kung paano ito ginagawa. Ang photosynthesis ng halaman ay sa katunayan ay isa sa mga pinakakomplikadong biochemical machinery, na may mga dose na intermediaryong reaksiyon, isang serye ng sub-component, at mga hindi gaanong naiintindihang molekular na mekanismo na kinasasangkutan ng mga elaboradong kilusang elektron.
Ang sintetikong paliwanag ng paksa na ito sa encyclopedia ng Britannica ay hindi bababa sa 10,000 salita. Ang mga mananaliksik na nag-aaral nito ay kinakailangan na makitungo sa medyo mas komplikadong mga schematic upang makapagkaroon ng isang pangkalahatang ideya ng photosynthesis:
Source: Lumen Learning
Habang pangunahing ginagamit sa kalikasan upang lumikha ng carbohydrates, ang photosynthesis ay maaaring, sa teorya, gamitin para sa maraming iba pang aplikasyon na gumagamit ng liwanag bilang isang pinagkuhanan ng enerhiya, tulad halimbawa ng sintesis ng hydrogen mula sa tubig (photocatalysis).
Bioinspired Hydrogels Para sa Produksyon ng Hydrogen
Isa sa mga hakbang ng likas na photosynthesis ay ang paghahati ng tubig sa oxygen at 2H+ atom, tila maaaring gayahin lamang ang yugtong iyon ay mas madali kaysa sa pagtatangka na gayahin ang buong proseso. Ito ang ginagawa ng mga mananaliksik na Hapon, gamit ang hydrogels.
Source: Chemical Communications
Ginamit nila ang mga functional molecule, tulad ng mga complex ng ruthenium at mga nanoparticle ng platinum, na nagtatrabaho nang sama-sama upang gayahin ang likas na proseso ng photosynthesis at kilala bilang mga powerful na photocatalyst. Ang inobasyon ay sa kung paano nila inayos ang mga partikulong ito:
“Ang kakaiba dito ay kung paano ang mga molecule ay inayos sa loob ng hydrogel. Sa paglikha ng isang structured environment, naging mas efficient ang proseso ng pagbabago ng enerhiya.”
Reina Hagiwara – PhD. student sa JAIST
Source: Chemical Communications
Pagbutihin ang Efisiensiya
Isa pang mahalagang pagbutihin sa paggamit ng hydrogel kaysa sa mga naunang pamamaraan ay na ito ay nagpapanatili ng mga metallic particle mula sa pagkakalumpo, na nagiging sanhi ng pagbaba ng efisiensiya ng proseso.
“Ang pinakamalaking hamon ay ang pagtangka na ayusin ang mga molecule upang makapaglipat ng mga elektron nang maayos. Sa pamamagitan ng paggamit ng isang polymer network, nakapagpigil kami ng mga ito mula sa pagkakalumpo, na isang karaniwang problema sa mga sistemang sintetikong photosynthesis.”
Ang resulta ay isang mas efficient na photocatalysis, na nagpaproduce ng mas maraming hydrogen kaysa sa mga naunang pamamaraan.
Source: Chemical Communications
Light Catching Gel
Isa pang kadahilanan sa pagbutihin ng efisiensiya ay na ang gel ay naglalock ng liwanag, na nagpapataas ng tsansa nito na makapagpapatakbo ng kemikal na reaksiyon.
Ang maingat na paggawa ng microgel ay naayos upang lumikha ng diameters na mas maliit kaysa sa wavelength ng visible light. Ito ay nagpahintulot din na i-integrate ang mga microscopic particle ng platinum at ruthenium sa gel sa isang organized mesh.
Source: Chemical Communications
Ang Susi sa Rebolusyong Hydrogen?
Ang hydrogen, o ammonia na gawa mula sa hydrogen, ay matagal nang itinuturing na isang potensyal na ideal na fuel upang makapagbigay ng enerhiya sa mundo nang may green energy.
Sa pamamagitan ng pagiging isang kemikal na anyo sa halip na elektrikal, ang hydrogen ay maaaring magimpan ng green energy sa isang mas mahabang panahon at maging isang mas mahusay na kapalit para sa fossil fuel kaysa sa mga battery sa mga aplikasyon tulad ng shipping o mga mabibigat na industriya.
Ang problema ay na ang produksyon ng hydrogen sa pamamagitan ng electrolysis ay isang napakainihang proseso at isang hindi gaanong efficient na proseso rin. Ito ay nagreresulta sa karamihan ng green energy na ginagamit upang mag-produce ng hydrogen ay nasasayang, na nagiging sanhi ng pinsala sa ekonomiya ng ideya.
