Karbondioksiti Kaynak Yapan Yapay Yaprak Teknolojisi
Cambridge’deki araştırmacılar, fotosentezi taklit ederek CO2, güneş ışığı ve suyu değerli kimyasal yakıtlara dönüştüren güneş enerjisiyle çalışan bir cihaz geliştirdiler.
Toksik olmayan “yarı yapay yaprakları”, sürekli ve verimli bir şekilde çalışarak yüksek saflıkta farmasötik bileşikler üretebiliyor. Bu keşif, kimyasal üretimde fosil yakıtların yerini almasına ve yeşil kimyada yeni bir çağın başlamasına yardımcı olabilir.
Sürdürülebilir Kimyada Atılım
Bilim insanları, plastikler ve kozmetikler de dahil olmak üzere her gün kullandığımız binlerce ürünü oluşturan temel kimyasalları üretmek için sürdürülebilir yeni bir yöntem buldular.
Küresel kimya endüstrisi, çoğunlukla fosil yakıtlar olmak üzere hammaddeleri nihai ürünlere dönüştürerek çok çeşitli bileşikler üretiyor. Geniş ölçeği ve bu karbon yoğun kaynaklara bağımlılığı nedeniyle, sektör küresel karbon emisyonlarının yaklaşık %6’sından sorumlu.
Şimdilerde, Cambridge Üniversitesi liderliğindeki bir ekip, bu önemli endüstriyi nihayetinde “fosillerden arındırabilecek” ve kimyasal üretimi çok daha sürdürülebilir hale getirebilecek yenilikçi teknikler üzerinde çalışıyor.
Yarı Yapay Yaprak
Araştırmacılar, ışığı emen organik polimerleri bakteri enzimleriyle birleştirerek güneş ışığını, suyu ve karbondioksiti formata dönüştüren hibrit bir sistem tasarladılar. Format, diğer kimyasal reaksiyonları da tetikleyebilen temiz bir yakıt.
Bu “yarı yapay yaprak”, bitkilerin güneş enerjisini yakalamak ve depolamak için kullandıkları doğal süreç olan fotosentezi taklit ediyor ve tamamen harici bir güç kaynağı olmadan çalışıyor. Kararsız veya toksik malzemeler kullanan önceki versiyonların aksine, bu yeni biyohibrit model daha güvenli, daha dayanıklı ve performansı düşürebilecek ek katkı maddeleri gerektirmiyor.
Yarı yapay organik fotokatot. Kaynak: Celine Yeung
CO2’yi Değerli Kimyasallara Dönüştürmek
Testler sırasında ekip, güneş ışığını kullanarak karbondioksiti formata dönüştürmeyi başardı ve ardından bu formatı doğrudan bir “domino” reaksiyon dizisiyle uygulayarak önemli bir farmasötik bileşik oluşturdu ve etkileyici bir verim ve saflık elde etti.
Joule dergisinde yayınlanan sonuçları, organik yarı iletkenlerin bu tür biyohibrit cihazlarda ışık hasadı bileşeni olarak ilk kez kullanıldığını ve sürdürülebilir yapay yapraklardan oluşan yeni bir ailenin kapısını açtığını gösteriyor.
Kimya endüstrisi, ilaç ve gübrelerden plastiklere, boyalara, elektronik cihazlara, temizlik ürünlerine ve tuvalet malzemelerine kadar çeşitli ürünler üreterek dünya ekonomisinin merkezinde yer alıyor.
Araştırmaya liderlik eden Cambridge Üniversitesi Yusuf Hamied Kimya Bölümü’nden Profesör Erwin Reisner, “Döngüsel ve sürdürülebilir bir ekonomi inşa edeceksek, kimya endüstrisi ele almamız gereken büyük ve karmaşık bir sorundur” dedi. “Hepimizin ihtiyaç duyduğu birçok önemli ürünü üreten bu önemli sektörü fosil yakıtlardan arındırmanın yollarını bulmalıyız. Doğru şekilde yapabilirsek bu büyük bir fırsat.”
Yapay Fotosenteze Daha Temiz Bir Yaklaşım
Reisner’ın araştırma grubu, güneş ışığını fosil yakıtlara bağımlı olmadan karbon bazlı yakıtlara ve kimyasallara dönüştüren yapay yaprakların geliştirilmesinde uzmanlaşmıştır. Ancak daha önceki tasarımlarının çoğu, ya hızla bozulan, güneş spektrumunun büyük bir kısmını boşa harcayan ya da kurşun gibi toksik elementler içeren sentetik katalizörlere veya inorganik yarı iletkenlere dayanmaktadır.
“Toksik bileşenleri ortadan kaldırıp organik elementler kullanmaya başlarsak, istenmeyen yan reaksiyonlar olmadan temiz bir kimyasal reaksiyon ve tek bir son ürün elde ederiz,” diyor Reisner’ın laboratuvarında doktora çalışmasının bir parçası olarak tamamlayan ortak ilk yazar Dr. Celine Yeung. “Bu cihaz her iki dünyanın en iyilerini bir araya getiriyor: Organik yarı iletkenler ayarlanabilir ve toksik değilken, biyokatalizörler son derece seçici ve verimli.”
Yeni cihaz, organik yarı iletkenleri sülfat indirgeyici bakterilerden elde edilen enzimlerle birleştirerek suyu hidrojen ve oksijene ayrıştırıyor veya karbondioksiti formata dönüştürüyor.
Enzim Stabilitesi Bulmacasını Çözmek
Araştırmacılar ayrıca uzun süredir devam eden bir zorluğun da üstesinden geldi: Çoğu sistem, enzimlerin çalışmasını sağlamak için tampon adı verilen kimyasal katkı maddelerine ihtiyaç duyuyor. Bunlar hızla parçalanabilir ve stabiliteyi sınırlayabilir. Araştırmacılar, gözenekli bir titanyum yapısına yardımcı bir enzim olan karbonik anhidraz yerleştirerek, sistemin sürdürülemez katkı maddeleri olmadan, maden suyuna benzer basit bir bikarbonat çözeltisinde çalışmasını sağladılar.
Reisner’ın laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan ortak yazar Dr. Yongpeng Liu, “Bu büyük bir bulmaca gibi,” dedi. “Tek bir amaç için bir araya getirmeye çalıştığımız tüm bu farklı bileşenlere sahibiz. Bu özel enzimin bir elektrot üzerinde nasıl sabitlendiğini anlamamız uzun zaman aldı, ancak şimdi bu çabaların meyvelerini görmeye başlıyoruz.”
Yeung, “Enzimin nasıl çalıştığını gerçekten inceleyerek, sandviç benzeri cihazımızın farklı katmanlarını oluşturan malzemeleri hassas bir şekilde tasarlayabildik,” dedi. “Bu tasarım, parçaların minik nanometre ölçeğinden tam yapay yaprağa kadar daha etkili bir şekilde birlikte çalışmasını sağladı.”
Rekor Verimlilik ve Dayanıklılık
Yapay yaprağın yüksek akımlar ürettiğini ve elektronları yakıt üretim reaksiyonlarına yönlendirmede neredeyse mükemmel bir verimlilik sağladığını testler gösterdi. Cihaz, önceki tasarımlara göre iki kattan fazla daha uzun bir süre, yani 24 saatten fazla başarıyla çalıştı.
Araştırmacılar, cihazın ömrünü uzatmak ve farklı kimyasal ürünler üretebilecek şekilde uyarlamak için tasarımlarını daha da geliştirmeyi umuyor.
Reisner, “Sadece verimli ve dayanıklı değil, aynı zamanda toksik veya sürdürülemez bileşenlerden arındırılmış güneş enerjisiyle çalışan cihazlar üretmenin mümkün olduğunu gösterdik,” dedi. “Bu, gelecekte yeşil yakıt ve kimyasallar üretmek için temel bir platform olabilir; heyecan verici ve önemli kimya çalışmaları yapmak için gerçek bir fırsat.”
Kaynak: https://scitechdaily.com
Yerin 1.250 Metre Altında Bulunan Bakteriler Karbondioksiti Kristallere Dönüştürebiliyor