Sistem “Fotosintesis Buatan” Baharu Menghasilkan Metana Dengan Kecekapan 10x ganda

Satu kajian daripada enam ahli kimia di Universiti Chicago menunjukkan sistem baru yang inovatif untuk fotosintesis buatan yang lebih produktif daripada sistem buatan sebelumnya dengan susunan magnitud. Di atas, ilustrasi artistik proses tersebut. Kredit: Ilustrasi oleh Peter Allen

Kejayaan Universiti Chicago mencipta bahan api metana daripada matahari, karbon dioksida dan air.

Manusia telah bergantung kepada bahan api fosil untuk tenaga tertumpu sejak dua abad yang lalu. Masyarakat kita telah mengambil kesempatan daripada bahan padat tenaga yang mudah diisi dengan hasil daripada ratusan juta tahun fotosintesis. Walau bagaimanapun, bekalan itu adalah terhad, dan penggunaan bahan api fosil mempunyai kesan negatif yang besar terhadap iklim Bumi.

“Cabaran terbesar yang ramai orang tidak sedar ialah alam semula jadi tidak mempunyai penyelesaian untuk jumlah tenaga yang kita gunakan,” kata Universiti Chicago ahli kimia Wenbin Lin. Malah fotosintesis tidak begitu baik, dia berkata: “Kita perlu melakukan lebih baik daripada alam semula jadi, dan itu menakutkan.”

“Fotosintesis buatan” adalah satu pilihan yang mungkin diterokai oleh saintis. Ini memerlukan kerja semula sistem loji untuk membuat jenis bahan api kita sendiri. Walau bagaimanapun, peralatan kimia dalam satu daun adalah sangat kompleks, dan tidak begitu mudah untuk beralih kepada tujuan kita sendiri.

Kini, sistem baharu yang inovatif untuk fotosintesis buatan yang lebih produktif daripada sistem buatan sebelumnya mengikut urutan magnitud dibentangkan dalam kajian yang diterbitkan dalam jurnal Pemangkinan Alam Semulajadi pada 10 November oleh enam ahli kimia di Universiti Chicago. Tidak seperti fotosintesis biasa, yang menghasilkan karbohidrat daripada karbon dioksida dan air, fotosintesis buatan boleh menghasilkan etanol, metana atau bahan api lain.

Walaupun ia masih mempunyai perjalanan yang jauh sebelum ia boleh menjadi cara untuk anda mengisi minyak kereta anda setiap hari, kaedah ini memberi para saintis arah baharu untuk diterokai. Selain itu, dalam jangka pendek, ia mungkin berguna untuk pengeluaran bahan kimia lain.

“Ini adalah peningkatan besar pada sistem sedia ada, tetapi sama pentingnya, kami dapat membentangkan pemahaman yang sangat jelas tentang bagaimana sistem buatan ini berfungsi pada tahap molekul, yang belum pernah dicapai sebelum ini,” kata Lin, yang merupakan James Franck Profesor Kimia di Universiti Chicago dan pengarang kanan kajian itu.

‘Kami akan memerlukan sesuatu yang lain’

“Tanpa fotosintesis semula jadi, kita tidak akan berada di sini. Ia menjadikan oksigen yang kita sedut di Bumi dan ia menjadikan makanan yang kita makan,” kata Lin. “Tetapi ia tidak akan pernah cukup cekap untuk membekalkan bahan api untuk kami memandu kereta; jadi kami akan memerlukan sesuatu yang lain.”

Masalahnya ialah fotosintesis dibina untuk menghasilkan karbohidrat, yang bagus untuk menjana tenaga, tetapi bukan kereta kita, yang memerlukan tenaga yang lebih pekat. Oleh itu, penyelidik yang ingin mencipta bahan ganti kepada bahan api fosil perlu merekayasa semula proses untuk mencipta lebih banyak bahan api padat tenaga, seperti etanol atau metana.

Secara semula jadi, fotosintesis dilakukan oleh beberapa himpunan protein dan pigmen yang sangat kompleks. Mereka mengambil air dan karbon dioksida, memecahkan molekul, dan menyusun semula atom untuk membuat karbohidrat-rentetan panjang sebatian hidrogen-oksigen-karbon. Para saintis, bagaimanapun, perlu mengolah semula tindak balas untuk menghasilkan susunan yang berbeza dengan hanya hidrogen yang mengelilingi teras karbon berair—CH4, juga dikenali sebagai metana.

Kejuruteraan semula ini adalah lebih rumit daripada yang didengari; orang telah bermain-main dengannya selama beberapa dekad, cuba mendekati kecekapan alam semula jadi.

Lin dan pasukan makmalnya berpendapat bahawa mereka mungkin cuba menambah sesuatu yang belum disertakan oleh sistem fotosintesis buatan sehingga kini: asid amino.

Pasukan itu bermula dengan sejenis bahan yang dipanggil rangka kerja logam-organik atau MOF, kelas sebatian yang terdiri daripada ion logam yang disatukan oleh molekul penghubung organik. Kemudian mereka merancang MOF sebagai satu lapisan, untuk menyediakan kawasan permukaan maksimum untuk tindak balas kimia, dan menenggelamkan segala-galanya dalam larutan yang termasuk sebatian kobalt untuk mengangkut elektron ke sekeliling. Akhirnya, mereka menambah asid amino kepada MOF, dan bereksperimen untuk mengetahui mana yang paling berkesan.

“Cabaran terbesar yang ramai orang tidak sedar ialah alam semula jadi tidak mempunyai penyelesaian untuk jumlah tenaga yang kita gunakan.”

Prof Wenbin Lin

Mereka dapat membuat penambahbaikan pada kedua-dua bahagian tindak balas: proses yang memecahkan air dan yang menambah elektron dan proton kepada karbon dioksida. Dalam kedua-dua kes, asid amino membantu tindak balas berjalan dengan lebih cekap.

Walaupun dengan prestasi yang dipertingkatkan dengan ketara, bagaimanapun, fotosintesis buatan masih jauh untuk dilalui sebelum ia boleh menghasilkan bahan api yang mencukupi untuk relevan untuk kegunaan meluas. “Di mana kita berada sekarang, ia perlu ditingkatkan dengan banyak pesanan magnitud untuk menghasilkan jumlah metana yang mencukupi untuk penggunaan kita,” kata Lin.

Kejayaan ini juga boleh digunakan secara meluas untuk tindak balas kimia lain; anda perlu membuat banyak bahan api untuk memberi kesan, tetapi kuantiti yang lebih kecil daripada beberapa molekul, seperti bahan permulaan untuk membuat ubat farmaseutikal dan nilon, antara lain, boleh menjadi sangat berguna.

“Begitu banyak proses asas ini adalah sama,” kata Lin. “Jika anda membangunkan kimia yang baik, ia boleh dipasang ke dalam banyak sistem.”

Para saintis menggunakan sumber di Advanced Photon Source, sebuah synchrotron yang terletak di Makmal Kebangsaan Argonne Jabatan Tenaga AS, untuk mencirikan bahan tersebut.

Pengarang bersama pertama kertas kerja itu ialah Guangxu Lan (PhD’20, kini dengan Universiti Peking), pelajar siswazah Yingjie Fan, dan Wenjie Shi (Pelajar melawat, kini dengan Universiti Teknologi Tianjin. Pengarang lain kertas kerja itu ialah Eric You (BS’20, kini pelajar siswazah di MIT) dan Samuel Veroneau (BS’20, kini pelajar PhD di Universiti Harvard).

Rujukan: “Tapak aktif biomimetik pada rangka kerja logam-organik berlapis tunggal untuk fotosintesis buatan” oleh Guangxu Lan, Yingjie Fan, Wenjie Shi, Eric You, Samuel S. Veroneau dan Wenbin Lin, 10 November 2022, Pemangkinan Alam Semulajadi.
DOI: 10.1038/s41929-022-00865-5

Pembiayaan: Universiti Chicago, Yayasan Sains Kebangsaan, Majlis Biasiswa China

We would love to say thanks to the writer of this post for this amazing material

Sistem “Fotosintesis Buatan” Baharu Menghasilkan Metana Dengan Kecekapan 10x ganda


Check out our social media accounts along with other pages related to themhttps://paw6.info/related-pages/