توسط : پژوهشگران دانشگاه کمبریج موفق شده‌اند یک برگ مصنوعی خورشیدی بسازند که با تقلید از فرایند فتوسنتز در گیاهان، دی‌اکسیدکربن را با استفاده از نور خورشید، به سوخت پاک و ترکیبات شیمیایی ارزشمند تبدیل می‌کند.
به گزارش Science Daily، پژوهشگران یک دستگاه هیبریدی ساخته‌اند که پلیمرهای نوری (جاذب نور) را با آنزیم‌های باکتریایی ترکیب می‌کند تا نور خورشید، آب و دی‌اکسیدکربن را به فرمات تبدیل کند؛ سوختی پاک که برای تأمین انرژی واکنش‌های شیمیایی بعدی قابل استفاده است.
برگ مصنوعی خورشیدی که آلودگی را به انرژی تبدیل می‌کند
این برگ مصنوعی فرایند طبیعی فتوسنتز گیاهان را شبیه‌سازی می‌کند و کاملاً خودکفاست و بدون نیاز به سوخت‌های فسیلی یا افزودنی‌های سمی کار می‌کند. برگ مصنوعی جدید با بهره‌گیری از مواد غیرسمی، بازده بالایی دارد و در مقایسه با نمونه‌های پیشین، پایداری بیشتری از خود نشان داده است.
در آزمایش‌ها، پژوهشگران توانستند از نور خورشید برای تبدیل دی‌اکسید کربن به فرمات استفاده کنند و سپس از آن مستقیماً در یک واکنش زنجیره‌ای برای ساخت ترکیبی ارزشمند مورد استفاده در داروسازی با بازده و خلوص بالا بهره ببرند.
به گفته تیم تحقیقاتی، این نخستین‌بار است که نیمه‌رساناهای آلی به‌عنوان جذب‌کننده نور در سیستم بیوهیبریدی به‌کار رفته‌اند؛ رویکردی که می‌تواند راه را برای نسل تازه‌ای از برگ‌های مصنوعی دوستدار محیط‌زیست باز کند.
صنعت شیمی که حدود ۶ درصد از کل انتشار کربن جهانی را به خود اختصاص می‌دهد، یکی از حوزه‌های کلیدی در مسیر گذار به انرژی‌های پاک است. پژوهشگران کمبریج امیدوارند این فناوری بتواند به‌تدریج وابستگی صنایع شیمی به سوخت‌های فسیلی را کاهش دهد و چشم‌انداز تولید پایدار مواد شیمیایی را محقق کند.
«اروین رایزنز»، نویسنده مسئول این پژوهش که در مجله ژول منتشر شده، می‌گوید: «اگر قصد داریم اقتصادی چرخشی و پایدار بسازیم، صنعت شیمی یکی از مشکلات بزرگ و پیچیده‌ای است که باید به آن بپردازیم. باید راه‌هایی برای کنار گذاشتن سوخت‌های فسیلی در این بخش حیاتی پیدا کنیم؛ صنعتی که حجم عظیمی از محصولات ضروری زندگی روزمره ما را تولید می‌کند. اگر بتوانیم این مسیر را درست پیش ببریم، فرصتی بزرگ در پیش‌رو خواهیم داشت.»
توسعه برگ‌های مصنوعی
تیم پژوهشی سال‌ها در زمینه توسعه برگ‌های مصنوعی فعالیت دارد، اما این‌بار موفق شده چالشی قدیمی را پشت سر بگذارد. برگ‌های مصنوعی در اصل دستگاه‌هایی هستند که نور خورشید را بدون اتکا به سوخت‌های فسیلی، به سوخت‌ها و ترکیبات کربنی مفید تبدیل می‌کنند.
اما طراحی‌های گذشته به کاتالیزورهای مصنوعی یا نیمه‌رساناهای معدنی وابسته بودند که یا به‌سرعت تجزیه می‌شدند و بخش زیادی از انرژی خورشیدی را هدر می‌دادند و یا حاوی عناصر سمی مانند سرب بودند.
«سلین یونگ»، یکی از نویسندگان اصلی مقاله که این پژوهش را در چارچوب دوره دکترای خود در آزمایشگاه رایزنر انجام داده، گفت: «اگر بتوانیم مواد سمی را حذف کرده و از عناصر آلی استفاده کنیم، به واکنشی شیمیایی پاک و محصولی نهایی واحد دست می‌یابیم، بدون آنکه واکنش‌های جانبی ناخواسته رخ دهد. این برگ مصنوعی بهترین ویژگی‌های هر دو را در خود دارد – نیمه‌رساناهای آلی قابل تنظیم هستند، درحالی‌که بیوکاتالیست‌ها از دقت و کارایی بسیار بالایی برخوردارند.»
در فناوری جدید، پژوهشگران با ترکیب نیمه‌رساناهای آلی و آنزیم‌هایی از باکتری‌های احیاکننده سولفات، موفق شدند سامانه‌ای بسازند که قادر است آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه کرده یا دی‌اکسیدکربن را با بازده بالا به فرمات تبدیل کند.
افزایش کارایی و دوام
یکی از دستاوردهای مهم این پروژه، حذف نیاز به افزودنی‌های شیمیایی مانند «بافر» است که در سامانه‌های پیشین برای حفظ پایداری آنزیم‌ها به‌کار می‌رفتند اما کارایی و دوام دستگاه را کاهش می‌دادند. پژوهشگران با افزودن یک آنزیم کمکی (کربنیک انیدراز) در یک ساختار متخلخل تیتانیا، توانستند سیستم را در محلول بی‌کربنات ساده (شبیه آب گازدار) و بدون هیچ افزودنی ناسازگار با محیط زیست فعال نگه دارند.
«یونگ‌پِنگ لیو»، یکی دیگر از نویسندگان اصلی و پژوهشگر پسادکتری در آزمایشگاه رایزنر، گفت: «این کار شبیه یک پازل بزرگ است. ما مجموعه‌ای از اجزای مختلف داشتیم که مدت‌ها تلاش کردیم آن‌ها را برای رسیدن به یک هدف واحد کنار هم قرار دهیم. زمان زیادی صرف شد تا دریابیم چگونه می‌توان این آنزیم خاص را روی یک الکترود تثبیت کرد، اما اکنون داریم نتیجه این تلاش‌ها را می‌بینیم.»
یونگ گفت: «با مطالعه دقیق نحوه عملکرد آنزیم، توانستیم مواد سازنده لایه‌های مختلف این دستگاه شبیه ساندویچ را با دقت طراحی کنیم. این طراحی باعث شد اجزای مختلف، از مقیاس بسیار ریز نانومتری تا کل ساختار برگ مصنوعی، هماهنگ‌تر و کارآمدتر با یکدیگر عمل کنند.»
آزمایش‌ها نشان داد که این برگ مصنوعی جریان‌های الکتریکی قدرتمندی تولید می‌کند و تقریباً با بازده کاملی، تمام الکترون‌ها را به واکنش‌های تولید سوخت هدایت می‌کند. همچنین دستگاه توانست بیش از ۲۴ ساعت بدون وقفه کار کند؛ بیش از دو برابر عملکرد مدل‌های پیشین.
پژوهشگران اکنون درحال بررسی راه‌هایی برای افزایش دوام آن و گسترش کاربردش در تولید سایر ترکیبات شیمیایی هستند.
رایزنر گفت: «ما نشان دادیم که می‌توان دستگاه‌هایی خورشیدی ساخت که نه‌تنها کارآمد و بادوام هستند، بلکه از مواد سمی یا غیرپایدار نیز کاملاً عاری‌اند. این فناوری می‌تواند به‌عنوان بستری بنیادی برای تولید سوخت‌ها و مواد شیمیایی سبز در آینده مورد استفاده قرار گیرد.»
بیشتر بخوانید: پارچه خورشیدی که می‌تواند برق تولید کند
