Перспективные источники энергии являются основной движущей силой общества, внедренные повсюду в нашей жизни от Айфона до тостера. Энергия фотосинтеза также используется человечеством.
Фотосинтез это реакция окисления воды разделяющей молекулы воды на ионы водорода, кислорода и электроны.
Человечество нуждаются в 17 ТВт или 17 триллионов ватт в год и, кажется, достигли пределов наших нынешних источников энергии.
Кроме того, традиционные ископаемые виды топлива такие, как нефть и уголь причины многочисленных экологических проблем и нарушения здоровья. Таким образом, много исследований сосредоточено на разработке альтернативных и возобновляемых источников энергии.
Одним из наиболее перспективных источников энергии из этих возобновляемых является Солнце, которое посылает 100 000 ТВт энергии на Землю каждый год.
В природе энергия биосинтеза используется растениями: химический процесс преобразует световую энергии в силу химических связей. Сегодня ученые пытаются имитировать этот процесс через «био искусственный фотосинтез».
Био искусственный фотосинтез производит топливо через водяное окисление.
Фотосинтез как источник энергии
Фотосинтез источник энергии — как природа окисляет воду в процессе преобразования солнечной силы. Биологически эта реакция происходят в фотосистеме с помощью фотосинтеза растений, где реакция окисления воды разделяет молекулы воды на ионы водорода, кислорода и электроны. В природе добываемый кислород имеет решающее значение для жизни человека. С помощью искусственных методов этого процесса, особенно получение водородных ионов и электронов, можно создавать топливо. Таким образом, реакции окисления воды может служить мощным инструментом для хранения и производства перспективных источников энергии.
Реакция окисления воды, однако, является энергоемким и механистически сложной реакцией: многочисленные связи должны быть сломаны и вновь сформированы для создания окончательного водорода, кислорода и электронов. В результате этого процесса требуется подходящий катализатор для практического применения. Даже с катализатором требуется ввод существенной силы от света для прохождения реакции. Ученые решили проблему с катализатором и светом.
Фотоэлектрохимические ячейки: природа вдохновила реакцию получения энергии
В настоящее время ученые используют используют этот процесс окисления воды для применения взаимодействия в сочетании с фотоэлектрохимическими ячейками. Общий процесс преобразование света в химических продуктах с окислением воды. Хотя существуют вариации фотоэлектрохимических ячеек ученые изготовили отдельные фотоанод и катод, погруженные в воду. Фотоанод генерирует электроны от взаимодействия со светом. Катод, напротив, принимает эти свободные электроны. Вода отделяет анод и катод и служит в качестве источника для окисления.
Ученые, работающие с фотоэлектрохимическими ячейками улучшили перспективные источники энергии от управляемого света и окисления воды для применения. Одним из конкретных приборов является уникальный и перспективный фотоанод. Фотоанод состоит из наночастиц диоксида титана как катализатора, порфирина и иридия цинка для создания фотоэлектрохимических ячеек. Диоксид титана не поглощает видимый свет, поэтому ученые внести изменения в данное химическое вещество. Ученые покрыли цинк порфирином, азотосодержащие молекулы поглощающие свет, как хлорофилл. Выбор порфирина и цинка следует из их свойств, что делает их пригодными для поглощения света с хорошо известной стабильностью, которая обеспечивает повышенную прочность системы. Наряду с цинком порфирин работает наряду с катализатором на основе наночастицы двуокиси титана. Механизм соединения этих двух веществ таков, что поглощение видимого света вызывает катализ окисления воды в фотоэлектрохимических ячейках.
В лабораторных условиях подтверждена структура и химическое поведение разработанного фотоанода через испытания, как проверялся в своё время ядерный магнитный резонанс и рентгеновские лучи. Экспериментально продемонстрирована эффективность этого процесса с помощью различных средств. Измеренные ток указывает эффективность переноса электрона между анодом и катодом в ответ на свет.
Измерения фототока показали относительно большой и стабильный ток. Определено, что когда не хватало молекул порфирина, цинка или катализатора, ток был гораздо слабее, показывая, что цинк, порфирина и иридий как компоненты имеют решающее значение для производительности устройства. Когда анод и катод погружаются в воду, чтобы завершить фотоэлектрохимический синтез, производство кислорода в продукте показывает успешное и устойчивое водяное окисление.
Проект нетрадиционного источника энергии
Несмотря на такие перспективы использования фотосинтез источник энергии ряд основных препятствий остаются. Ученые сосредоточены на использовании нескольких подходов к преодолению этих препятствий. Во-первых фотоэлектрохимические ячейки, как правило, имеют эффективность примерно на 10 процентов, показатель, который должен увеличиваться для солнечных батарей, чтобы даже рассматривать для практического использования способ искусственного фотосинтеза. Основным источником этой неэффективности является потеря заряда при разделении в фотоэлектрохимических ячейках — разделение электрона и протона между анодом и катодом при химическом процессе в ячейке. В последнее время ученые занимаются изучением класса молекул, которые способствуют односторонней электронной передачи для решения этой неэффективности и исследуют улучшения конструкции: фотосинтез — энергия.
Еще одной областью исследований является разработка новых катализаторов для процесса окисления воды. Катализатор на основе иридиума в настоящее время используется во многих конструкциях фотохимических клеток и является эффективным, но довольно дорогим и редким. Природа, напротив, использует марганцевый продукт для реакций окисления воды. В результате прорабатываются идеи для исследований катализаторов на основе биологических марганцевых соединений и разработка катализаторов на основе более простых материалов.
Исследователи надеются на решение ключевых проблем искусственного фотосинтеза для энергетических исследований.
Очевидно многие проблемы сохраняются до желаемого прорыва в технологии солнечной энергии. Тем не менее с учетом исследовательской деятельности перспективные источники энергии имеют будущее.
