Штучний фотосинтез

Шту́чний фотоси́нтез — хімічний процес, який відтворює природний процес фотосинтезу; процес, який перетворює сонячне світло, воду і вуглекислий газ у вуглеводи і кисень.

Штучний фотосинтез, в ході якого сонячна енергія перетворюється безпосередньо в хімічне паливо, вважається однією з найперспективніших технологій. Одним із головних завдань для вчених, що розробляють систему штучного фотосинтезу для отримання водню, є необхідність зробити цю систему досить дешевою, щоб вона змогла конкурувати з викопним паливом. Вирішення цього завдання вимагає розробки комплексної системи, яка буде здатна ефективно поглинати сонячне світло і в той же час виробляти носії заряду для контролю скорочення витрати води і напівреакцій окиснення.

Учені з Національної лабораторії Лоуренса в Берклі (Berkeley Lab) у співпраці з Міністерством енергетики США представили першу в світі розробку повністю інтегрованої наносистеми для штучного фотосинтезу. Таку систему прийнято називати «штучний лист», однак ключем до успіху вчених став «штучний ліс».

Штучний листок — це сонячна батарея на основі кремнію з різними каталітичними матеріалами, які кріплять до обох сторін. Під час занурення у воду пристрій використовує енергію сонячного світла для розщеплення води на кисень та водень.^[1]

Коли сонячне світло поглинається пігментними молекулами хлоропласту, виробляється заряджений електрон, що переміщається від однієї молекули до іншої через транспортний ланцюжок, поки в результаті не відбувається перетворення двоокису вуглецю в вуглеводи цукру. Цей транспортний ланцюжок електрона називається «Z — схема», тому що шлях руху нагадує букву Z.

Учені використовували Z-схему, для якої взяли два наявних в достатку на Землі стабільних напівпровідника — кремній і оксид титану. Кремній був використаний для утворення фотокатода, який виділяє водень, а оксид титану — для утворення фотоанода, який виділяє кисень. Для досягнення максимальної продуктивності системи було використано деревоподібна структура. Як дерева в справжньому лісі, щільні масиви нанодротів — штучні дерева — придушують відбиття сонячного світла, звільняючи велику площу поверхні для утворення речовини, необхідної для проходження реакцій.

Під штучним сонячним випромінюванням ця інтегрована система штучного фотосинтезу, в основі якої лежить ідея використання нанодротів, досягла 0,12% ефективності перетворення сонячної енергії в паливо. Хоча даний рівень ефективності можна спостерігати і в природному середовищі, при штучному фотосинтезі в комерційних цілях його можна значно підвищити^[2].

• Engineering light-activated metalloproteins to split water at Australia National University
• Daniel Nocera describes new process for storing solar energy at Massachusetts Institute of Technology.
• Paul Alivisatos on Artificial Photosynthesis at Lawrence Berkeley National Laboratory
• Nanocapsules for artificial photosynthesis a Nanowerk News article
• MIT Solar Revolution Project [Архівовано 28 березня 2014 у Wayback Machine.]

• Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani: Solar Electricity and Solar Fuels: Status and Perspectives in the Context of the Energy Transition. In: Chemistry – A European Journal 22, Issue 1, (2016), 32–57, doi:10.1002/chem.201503580.
• Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani, The Future of Energy Supply: Challenges and Opportunities. In: Angewandte Chemie International Edition 46, (2007), 52–66, doi:10.1002/anie.200602373.
• Vincenzo Balzani et al., Photochemical Conversion of Solar Energy. In: ChemSusChem 1, (2008), 26–58, doi:10.1002/cssc.200700087.
• Jessica Marshall, Solar energy: Springtime for the artificial leaf. In: Nature 510, Issue 7503, S. 22–24, doi:10.1038/510022a.
• Bugra Turan et al.: Upscaling of integrated photoelectrochemical water-splitting devices to large areas. In: Nature Communications. Band 7, 2016, S. 1–9, doi:10.1038/ncomms12681.