فتوسنتز مصنوعی (artificial photosynthesis) یک فرآیند شیمیایی تقلید کننده روند طبیعی فتوسنتز است. فتوسنتز فرآیندی است که نور خورشید، آب و دی اکسید کربن را به کربوهیدرات و اکسیژن تبدیل میکند. فتوسنتز مصنوعی معمولا به روشهایی اشاره دارد که برای گرفتن و ذخیرهسازی انرژی از نور خورشید در پیوندهای شیمیایی یک سوخت که به سوخت خورشیدی (solar fuel) معروف است، مورد استفاده قرار میگیرند.
شکافت فوتوکاتالیتیکی آب (photocatalytic water splitting)، آب را به پروتون (و در نهایت هیدروژن) و اکسیژن تبدیل میکند و حوزه اصلی پژوهش در فتوسنتز مصنوعی میباشد. احیای دیاکسید کربن به وسیله نور (light-driven carbon dioxide reduction) یکی دیگر از فرآیندهای مورد بررسی است که تثبیت طبیعی کربن (carbon fixation) را تقلید میکند.
پژوهش در این زمینه شامل طراحی و مونتاژ دستگاههایی برای تولید مستقیم سوختهای خورشیدی، فتو الکتروشیمی و کاربرد آن در پیلهای سوختی (fuel cells) و مهندسی آنزیمها و میکروارگانیسمهای فعال در نور برای سوخت زیستی میکروبی (microbial biofuel) و تولید بیوهیدروژن (biohydrogen) از نور خورشید میباشد. بیشتر روشهای مصنوعی، الهام گرفته از فرآیندهای بیولوژیکی هستند.
واکنش فتوسنتز را میتوان به دو نیم واکنش اکسیداسیون و احیا تقسیم کرد که هر دو برای تولید سوخت ضروری هستند. در فتوسنتز گیاهی، مولکولهای آب به وسیله نور اکسید میشوند و اکسیژن و پروتون آزاد میکنند. مرحله دوم از فتوسنتز گیاهی که به عنوان سیکل کالوین-بنسون (Calvin-Benson cycle) شناخته میشود، یک واکنش مستقل نور از است که دیاکسید کربن را به قند تبدیل میکند. محققان فتوسنتز مصنوعی در حال توسعه فتوکاتالیستهایی هستند که این دو واکنش را به طور جداگانه انجام دهند. علاوه بر این، پروتون حاصل از تقسیم آب را میتوان برای تولید هیدروژن استفاده کرد. این کاتالیست باید توانایی واکنش سریع و جذب درصد زیادی از فوتونهای خورشیدی را داشته باشد.
در حالی که فتو ولتاییک میتواند جریان مستقیم برق را از نور خورشید فراهم کند، ناکارآمدی تولید سوخت از برق فتوولتاییک (فرآیند غیر مستقیم) و این واقعیت که آفتاب در طول زمان ثابت نیست، محدودیتی برای استفاده از آن ایجاد میکند. یک راه برای استفاده از فتوسنتز طبیعی، تولید سوخت زیستی (biofuel) از بیوماس (biomass) است که این نیز یک فرآیند غیر مستقیم است که از راندمان تبدیل انرژی پایین رنج میبرد؛ زیرا خود فتوسنتز راندمان پایینی در تبدیل نور خورشید به زیست توده دارد و همچنین با نیاز رو به افزایش به زمین برای تولید مواد غذایی انسان تداخل پیدا میکند. بنابراین هدف فتوسنتز مصنوعی تولید سوخت از نور خورشید و ذخیرهسازی و استفاده از آن در زمانی است که نور خورشید در دسترس نباشد. فتوسنتز مصنوعی از فرآیندهای مستقیم برای تولید یک سوخت خورشیدی (solar fuel) استفاده میکند. با توسعه کاتالیستهایی که قادر به تقلید گامهای کلیدی فتوسنتز میباشند، در نهایت آب و نور خورشید تنها منابع مورد نیاز برای تولید انرژی پاک خواهند بود. تنها محصول جانبی این فرآیند اکسیژن میباشد و تولید یک سوخت خورشیدی دارای این پتانسیل است که از بنزین ارزانتر باشد.
یک فرآیند برای ایجاد یک منبع انرژی پاک و مقرون به صرفه، توسعه شکافت فوتوکاتالیستی آب (photocatalytic water splitting) در زیر نور خورشید است. این روش تولید پایدار هیدروژن یکی از اهداف مهم در توسعه سیستمهای انرژی جایگزین (alternative energy) در آینده است. همچنین پیشبینی میشود این روش یکی کاراترین راههای به دست آوردن هیدروژن از آب باشد. تبدیل انرژی خورشیدی به هیدروژن از طریق یک فرآیند شکافت آب توسط کاتالیستهای نیمه رسانای نوری (photosemiconductor catalysts) یکی از امیدوار کنندهترین فناوریهای در حال توسعه است. این فرآیند پتانسیل تولید مقدار زیادی هیدروژن به صورت سازگار با محیط زیست را دارد. تبدیل انرژی خورشیدی به سوخت پاک هیدروژن در شرایط محیطی یکی از بزرگترین چالشهای پیش روی دانشمندان در قرن بیست و یکم است.
نمونهای از یک پیل فتوالکتریک در محیط آزمایشگاه. کاتالیستها به پیلی افزوده میشوند که در آب غوطهور است و نور شبیهسازی شده خورشید بر آن میتابد. حبابهای اکسیژن در جلوی پیل هیدروژن در پشت پیل تشکیل میشوند.
به طور کلی دو روش در ساخت سلولهای سوخت خورشیدی برای تولید هیدروژن شناخته شده است:
یکی دیگر از زمینههای تحقیق در زمینه فتوسنتز مصنوعی، انتخاب و استفاده از میکروارگانیسمهای فتوسنتز مانند ریز جلبکهای سبز و سیانوباکتریها برای تولید سوختهای خورشیدی است. بسیاری از گونهها به صورت طبیعی قادر به تولید هیدروژن هستند و دانشمندان در حال کار برای بهبود آنها هستند. سوختهای زیستی جلبکی (algae biofuels) مانند بوتانول و متانول در آزمایشگاه و در مقیاس تجاری تولید میشوند.
شکافت فوتوکاتالیتیکی آب (photocatalytic water splitting)، آب را به پروتون (و در نهایت هیدروژن) و اکسیژن تبدیل میکند و حوزه اصلی پژوهش در فتوسنتز مصنوعی میباشد. احیای دیاکسید کربن به وسیله نور (light-driven carbon dioxide reduction) یکی دیگر از فرآیندهای مورد بررسی است که تثبیت طبیعی کربن (carbon fixation) را تقلید میکند.
پژوهش در این زمینه شامل طراحی و مونتاژ دستگاههایی برای تولید مستقیم سوختهای خورشیدی، فتو الکتروشیمی و کاربرد آن در پیلهای سوختی (fuel cells) و مهندسی آنزیمها و میکروارگانیسمهای فعال در نور برای سوخت زیستی میکروبی (microbial biofuel) و تولید بیوهیدروژن (biohydrogen) از نور خورشید میباشد. بیشتر روشهای مصنوعی، الهام گرفته از فرآیندهای بیولوژیکی هستند.
واکنش فتوسنتز را میتوان به دو نیم واکنش اکسیداسیون و احیا تقسیم کرد که هر دو برای تولید سوخت ضروری هستند. در فتوسنتز گیاهی، مولکولهای آب به وسیله نور اکسید میشوند و اکسیژن و پروتون آزاد میکنند. مرحله دوم از فتوسنتز گیاهی که به عنوان سیکل کالوین-بنسون (Calvin-Benson cycle) شناخته میشود، یک واکنش مستقل نور از است که دیاکسید کربن را به قند تبدیل میکند. محققان فتوسنتز مصنوعی در حال توسعه فتوکاتالیستهایی هستند که این دو واکنش را به طور جداگانه انجام دهند. علاوه بر این، پروتون حاصل از تقسیم آب را میتوان برای تولید هیدروژن استفاده کرد. این کاتالیست باید توانایی واکنش سریع و جذب درصد زیادی از فوتونهای خورشیدی را داشته باشد.
یک فرآیند برای ایجاد یک منبع انرژی پاک و مقرون به صرفه، توسعه شکافت فوتوکاتالیستی آب (photocatalytic water splitting) در زیر نور خورشید است. این روش تولید پایدار هیدروژن یکی از اهداف مهم در توسعه سیستمهای انرژی جایگزین (alternative energy) در آینده است. همچنین پیشبینی میشود این روش یکی کاراترین راههای به دست آوردن هیدروژن از آب باشد. تبدیل انرژی خورشیدی به هیدروژن از طریق یک فرآیند شکافت آب توسط کاتالیستهای نیمه رسانای نوری (photosemiconductor catalysts) یکی از امیدوار کنندهترین فناوریهای در حال توسعه است. این فرآیند پتانسیل تولید مقدار زیادی هیدروژن به صورت سازگار با محیط زیست را دارد. تبدیل انرژی خورشیدی به سوخت پاک هیدروژن در شرایط محیطی یکی از بزرگترین چالشهای پیش روی دانشمندان در قرن بیست و یکم است.
نمونهای از یک پیل فتوالکتریک در محیط آزمایشگاه. کاتالیستها به پیلی افزوده میشوند که در آب غوطهور است و نور شبیهسازی شده خورشید بر آن میتابد. حبابهای اکسیژن در جلوی پیل هیدروژن در پشت پیل تشکیل میشوند.
به طور کلی دو روش در ساخت سلولهای سوخت خورشیدی برای تولید هیدروژن شناخته شده است:
- یک سیستم همگن به صورتی است که در آن کاتالیست در محفظههای جدا قرار نگرفته باشد و همه اجزا درون یک محفظه جای دارند. به این معنی که هیدروژن و اکسیژن در یک محل تولید میشوند. مشکل این روش این است که میتواند تشکیل یک مخلوط قابل انفجار بدهد و نیاز به پالایش گازها دارد. همچنین تمام اجزا باید در شرایط تقریبا یکسان فعال باشند.
- یک سیستم ناهمگن دارای دو الکترود جداگانه آند و کاتد است که امکان جداسازی اکسیژن و تولید هیدروژن را فراهم میکند. علاوه بر آن اجزای مختلف لزوما نیاز به کار در شرایط یکسان را ندارند. البته افزایش پیچیدگی این سیستمها باعث میشود که توسعه آنها سختتر و گرانتر شود.
یکی دیگر از زمینههای تحقیق در زمینه فتوسنتز مصنوعی، انتخاب و استفاده از میکروارگانیسمهای فتوسنتز مانند ریز جلبکهای سبز و سیانوباکتریها برای تولید سوختهای خورشیدی است. بسیاری از گونهها به صورت طبیعی قادر به تولید هیدروژن هستند و دانشمندان در حال کار برای بهبود آنها هستند. سوختهای زیستی جلبکی (algae biofuels) مانند بوتانول و متانول در آزمایشگاه و در مقیاس تجاری تولید میشوند.