Sztuczna fotosynteza inspirowana naturą: Udany rozwój nowej technologii produkcji wodoru ze słońca

Zdjęcie: Yuuji Getty Images

Współpracując z profesorem Hyojung Cha z Wydziału Energetyki Wodorowej i Odnawialnej na Uniwersytecie Narodowym Kyungpook, profesor Park wykorzystał dobre właściwości adsorpcji nanosurface kwasu taninowego[1] w polimerach metalowo-polifenolowych, aby kontrolować samodzielne układanie się i właściwości optyczne barwników fluorescencyjnych, a także zidentyfikował mechanizmy fotoekscytacji[2] i transferu elektronów. Na podstawie tych odkryć wdrożył system produkcji biohydrogenu ze słońca przy użyciu bakterii z enzymami hydrolazowymi.

Podczas naturalnej fotosyntezy chlorofil absorbuje energię świetlną i przenosi elektrony, aby przekształcić ją w energię chemiczną. Sztuczna fotosynteza, która naśladuje ten naturalny proces, wykorzystuje światło słoneczne do produkcji cennych zasobów, takich jak wodór, i zyskała uwagę jako zrównoważone rozwiązanie energetyczne.

Zespół profesora Parka opracował supramolekularny fotokatalizator, który potrafi przenosić elektrony podobnie jak chlorofil w przyrodzie, modyfikując rodaminę, istniejący barwnik fluorescencyjny, w strukturę amfifilową. Zespół zastosował technologię nano-powlekania metalowo-polifenolowego opartą na kwasie taninowym, aby poprawić wydajność i trwałość. W rezultacie wykazali wydajność produkcji na poziomie około 18,4 mmol wodoru na godzinę na gram katalizatora w widzialnym spektrum. Ta wydajność jest 5,6 razy wyższa niż w poprzednich badaniach z użyciem tego samego fosforu.

Zespół badawczy połączył nowo opracowany barwnik supramolekularny z Shewanella oneidensis MR-1[3], bakterią zdolną do transferu elektronów, aby stworzyć system bio-kompozytowy, który przekształca kwas askorbinowy (witaminę

1. w wodór przy użyciu światła słonecznego. System działał stabilnie przez długi czas i wykazał zdolność do ciągłej produkcji wodoru.

Profesor Park powiedział: „To badanie stanowi ważne osiągnięcie, które ujawnia konkretne mechanizmy działania barwników organicznych i sztucznej fotosyntezy. W przyszłości chciałbym przeprowadzić badania nad nowymi systemami opartymi na chemii supramolekularnej, łącząc funkcjonalne mikroorganizmy z nowymi materiałami.”
Badanie było finansowane przez Projekt Laboratorium Badań Podstawowych oraz Projekt Wsparcia Badaczy w Średnim Okresie Kariery w ramach Fundacji Narodowej Korei oraz Projekt Alchemista Ministerstwa Handlu, Przemysłu i Energii, a jego wyniki (pierwszy autor: Seokhyung Bu, student programu doktoranckiego) zostały opublikowane w Angewandte Chemie International Edition.

1. Kwas taninowy: Jest to materiał przyjazny dla środowiska, który można łatwo pozyskać z kawy i herbaty, a jego nanosurface można pokrywać za pomocą prostego procesu. Ma szerokie zastosowanie, w tym w fotokatalizie i usuwaniu zanieczyszczeń.
2. Fotoekscytacja: Oznacza proces wzbudzania elektronów w substancji do wyższego stanu energetycznego przy użyciu energii świetlnej (fotonów).
3. Shewanella oneidensis MR-1: Bakteria znana ze swojej zdolności do rozkładu metali i minerałów w przyrodzie. Wykorzystywana jest w badaniach nad ekologicznymi rozwiązaniami energetycznymi, takimi jak produkcja wodoru.