پژوهشگران دانشگاه ییل وسیلهای خورشیدی ساختهاند که دیاکسید کربن و آب را به متانول تبدیل میکند. این دستاورد، گام بزرگی در پیشرفت فناوری فتوسنتز مصنوعی محسوب میشود.
این سیستم بدون نیاز به برق خارجی کار میکند و برای پیشبرد واکنش شیمیایی، کاملاً به نور خورشید وابسته است. دانشمندان میگویند این دستگاه، نور خورشید را با کارایی بسیار بیشتری نسبت به سیستمهای برگ مصنوعی قبلی که برای تولید سوختهای الکلی طراحی شده بودند، به متانول تبدیل میکند.
این نوآوری میتواند تلاشهای آینده برای جذب دیاکسید کربن از جو را تقویت کند و همزمان سوختهای مایع پاکتری برای حملونقل و صنایع تولید نماید. این پروژه نتیجه همکاری تیم ییل با پژوهشگرانی از دانشگاه کارولینای شمالی در چپل هیل، دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی و دانشگاه پنسیلوانیا است. این فعالیت همچنین در راستای اهداف کلان مرکز رویکردهای ترکیبی در انرژی خورشیدی برای سوختهای مایع که به اختصار CHASE نامیده میشود، انجام شده.
هایلیانگ وانگ، استاد شیمی دانشگاه ییل گفت که این تیم مستقیماً از طبیعت الهام گرفتهاند. به گفته او، این ایده امیدوارکننده به نظر میرسد و مفهومی مشابه با آنچه در طبیعت رخ میدهد دارد. او اضافه کرد که محققان پس از مشاهده نتایج اولیه موفقیتآمیز دستگاه، بسیار هیجانزده شدند.
برخلاف سیستمهای خورشیدی مرسوم که برق تولید میکنند، این برگ مصنوعی جدید مستقیماً سوخت مایع میسازد. این ویژگی مزیت دیگری برای این فناوری ایجاد میکند، زیرا سوختهای مایع میتوانند انرژی را برای مدت طولانی ذخیره کرده و از طریق زیرساختهای موجود جابهجا شوند.
متانول هماکنون به عنوان یک ماده شیمیایی صنعتی مهم شناخته میشود. شرکتها از آن به عنوان سوخت جایگزین در صنایع کشتیرانی و کاربردهای انرژی نیز استفاده میکنند. این دستگاه ترکیبی از دو فناوری است که طی چندین سال در آزمایشگاه وانگ توسعه یافتهاند. نوآوری نخست بر یک کاتالیزور تخصصی تمرکز دارد که اولین بار در سال ۲۰۱۹ معرفی شد. این کاتالیزور، دیاکسید کربن و آب را از طریق یک واکنش پیچیده ششالکترونی به متانول تبدیل میکند. سیستمهای کاتالیزوری مولکولی پیشین معمولاً فقط واکنشهای دوالکترونی را مدیریت میکردند که آنها را به تولید محصولات سادهتری مانند کربن مونوکسید محدود میکرد.
محققان این کاتالیزور را با اتصال مولکولهای کبالت فتالوسیانین به نانولولههای کربنی مهندسی کردند. این نانولولهها به سرعت الکترونها را به سمت مکانهای فعال واکنش هدایت میکنند. وانگ نانولولهها را به بزرگراههای الکترونی تشبیه کرد که در حین کارکرد دستگاه، دائماً کاتالیزور را تغذیه میکنند. دومین پیشرفت شامل بازطراحی یک فوتوالکترود بود که توسط پژوهشگر دوره دکترا، بو شانگ، انجام شد. این ساختار از ستونهای میکروسکوپی سیلیکونی با پوششی از ماده کربنی فولرن استفاده میکند.
این هندسه باعث بهبود جداسازی بار و کارایی انتقال الکترون میشود. همچنین سطح در دسترس برای وقوع واکنشهای کاتالیزوری را افزایش میدهد. در مجموع، این دو سیستم یکی از کارآمدترین دستگاههای تبدیل متانول فوتوالکتروکاتالیزوری مبتنی بر سیلیکون را ایجاد کردند که تاکنون گزارش شده است.
بو شانگ پنج سال وقت صرف کرد تا به توسعه این سیستم مستقل از طریق ابتکار پژوهشی CHASE کمک کند. او گفت زمانی که این مسیر را آغاز کرد، ساخت دستگاهی که بتواند به صورت خودکار عمل کند دور از انتظار به نظر میرسید. او افزود که تماشای سیستمی که از نور خورشید، آب و دیاکسید کربن سوخت قابل استفاده تولید میکند، برای تمام اعضای تیم رضایتبخش بوده است.
پژوهشگران همچنان در حال اصلاح طراحی برگ مصنوعی هستند تا کارایی و دوام آن را ارتقا دهند. وانگ اظهار داشت که نتایج کنونی، پایهای مستحکم برای سیستمهای بزرگتر در آینده ایجاد کرده. این فناوری ممکن است در نهایت از تلاشهای بازیافت صنعتی کربن پشتیبانی کرده و همزمان سوختهای مایع تجدیدپذیر با آلایندگی کمتر تولید کند.
دانشمندان همچنان با موانع بزرگی پیش از عملی شدن کاربرد تجاری آن روبرو هستند. با این وجود، سیستم تحت هدایت دانشگاه ییل نشان میدهد که چگونه فتوسنتز مهندسیشده میتواند از سطح آزمایشهای آزمایشگاهی فراتر رفته و به یک فناوری انرژی مقیاسپذیر تبدیل شود.
