Nye teorier og materialer hjælper overgangen til ren energi

For hver dag der går, den mørke side af vores afhængighed af fossile brændstoffer bliver mere tydelig. Ud over at reducere udledningen af ​​kuldioxid, samfundet skal finde bæredygtige alternativer til at drive den moderne verden.

I en ny undersøgelse, Gary Moore og hans forskergruppe udforsker forskellige tilgange til katalyse, en kemisk proces, der spiller en væsentlig rolle i biologiske reaktioner, samt mange industrielle applikationer.

Katalysatorer er stoffer, der fremskynder hastigheden af ​​kemiske reaktioner, uden at blive forbrugt under reaktionsprocessen. Enzymkatalysatorer er så vigtige i naturen, at livet ville være umuligt uden dem, da forhold i levende celler ikke er befordrende for mange vitale kemiske processer. Kemiske reaktioner, der ellers ville kræve timer eller endda dage at finde sted, kan udfolde sig på under et sekund ved hjælp af enzymkatalysatorer.

Kemiske katalysatorer er blevet brugt i en række menneskelige anvendelser, lige fra farmaceutisk udvikling til bionedbrydelig plast og miljøvenlig gødning. De kan også fremme udviklingen af ​​grønne energiløsninger til at håndtere klimakrisen, et område, Moores gruppe aktivt har forfulgt.

Moore er forsker i Biodesign Center for Applied Structural Discovery (CASD) og lektor ved ASU's School of Molecular Sciences (SMS). Han får selskab af Daiki Nishiori, en kandidatstuderende i SMS og hovedforfatter af den nye undersøgelse, samt Brian Wadsworth, en tidligere kandidatstuderende i SMS, som nu er ansat hos Intel Corporation.

Undersøgelsens resultater vises i det aktuelle nummer af tidsskriftet Kemisk katalyse.

Katalysatorer tæt på

Den nye undersøgelse trækker på undersøgelser af katalysatorers adfærd udført af Moore og hans ASU-kolleger samt andre forskere på området. Den aktuelle perspektivartikel beskriver tre former for katalyse - enzymatisk, elektrokatalytisk og fotoelektrosyntetisk - skitserer fremskridt til dato og fremhæver nogle af de resterende udfordringer, som videnskabsmænd står over for, der søger en omfattende forståelse af disse vigtige fænomener.

Mens en hel del er blevet lært gennem studiet af enzymkatalyse i levende organismer, forskere håber at udvikle syntetiske alternativer, der kan forbedre naturens design. "Det er udfordrende at efterligne biologiske enzymer til katalyse, " siger Nishiori. "Biologiske enzymer har komplekse, tredimensionelle proteinstrukturer, " og fungerer under helt andre forhold end de fleste menneskeskabte katalysatorer.

I stedet, forskere håber at kunne producere en ny serie af syntetiske katalysatorer til at drive kemiske reaktioner med høj effektivitet. Succesfulde resultater kunne i høj grad forbedre den industrielle produktion af mange produkter til gavn for samfundet. Disse omfatter nye typer kulstofneutrale eller kulstoffrie brændstoffer.

"Vi dækker en del materiel plads i denne artikel, herunder traditionel kemisk katalyse af enzymer, såvel som elektrokatalytiske processer medieret af biologiske og/eller syntetiske komplekser, " siger Moore. Undersøgelsen går derefter videre til at beskrive hybridsystemer, der fanger strålende lysenergi og bruger den til at drive ladningsoverførselsreaktioner. Den åbenlyse parallel i naturen er med fotosyntetiske processer udført af planter.

Men kunstige fotosyntetiske teknologier kan ikke blot kopiere naturens plan. Ud over en begrænset forståelse af struktur-funktion-relationerne, der styrer deres præstationer, fotosyntetiske planter omdanner og opbevarer knap 1 % af det indfaldende sollys, der samles af deres blade i form af kemiske bindinger. Disse bindinger udgør i sidste ende de fødevarer, vi spiser, og på længere geologiske tidsskalaer, de kulstofbaserede fossile brændstoffer, vores moderne samfund er afhængige af. Dette er alt, hvad en sund plante behøver for at udvikle og reproducere, men er utilstrækkelig til menneskelige anvendelser.

Lysende forskning

Design af nye fotoelektrosyntetiske enheder involverer brug af lysindsamlingsteknologi, ligner nuværende solcelleceller, og kobling af det til et tyndt lag katalytisk materiale. I denne ordning, ladningsbærere overføres fra en halvlederoverflade til katalytiske steder. Når en katalysator har akkumuleret nok ladningsbærere, den går ind i en såkaldt aktiveret tilstand, lader katalysen fortsætte. Processen kan bruges til at producere brint fra vand eller til at producere reducerede former for CO ₂ herunder metan, carbonmonoxid, flydende brændstoffer, og andre industrielt nyttige produkter.

"I tilfælde af en mere traditionel solcelle, dit ultimative mål er at konvertere sollys til elektrisk strøm. De systemer, vi udvikler, bruger solenergi til at drive energisk op ad bakke kemiske transformationer, " siger Moore. I stedet for at producere elektricitet, det indfaldende sollys fører til katalyserede kemiske reaktioner, i sidste ende producerer brændstoffer.

"Her, de brændstoffer, vi beskriver, er ikke bundet til fossile kulstofkilder. Vi kan udvikle kemi, der enten er kulstoffri, herunder omdannelse af vand til brintgas, som kunne tjene som brændstof, eller vi kan bruge CO ₂ fra atmosfæren til at generere kulstofholdige brændstoffer, " siger Moore. "I dette sidste eksempel, selvom de resulterende brændstoffer er kulstofbaserede, ingen nye kilder til CO ₂ frigives til atmosfæren." Processen er en form for kulstofgenanvendelse.

Moore henviser til sådanne teknologier som fotoelektrosyntetisk. Mens de har et betydeligt løfte om at producere ren energi og renere produktion af nyttige industriprodukter, at forstå kemien på både et teoretisk og praktisk niveau er udfordrende. Fotonerne af lys og ladningsbærere, der bruges til at starte katalyse, er kvanteenheder, med særligt subtile egenskaber, som forskere stadig kæmper med at modellere nøjagtigt.

At producere effektive teknologier til at imødegå fremtidige energiudfordringer vil kræve en mere grundig matematisk forståelse af lysets høstdynamik samt katalytiske processer og ladningsbevægelser. Den nuværende undersøgelse giver et foreløbigt skridt i denne retning.

Sideløbende med disse fremskridt, forskere i materialevidenskab bliver nødt til at designe materialer, der er bedre i stand til at udnytte disse processer, fremstillet af holdbare og overkommelige materialer.

Nye veje gennem energilabyrinten

Ud over de rent videnskabelige forhindringer, der skal løses, Moore siger, at ændringer i den offentlige politik vil være afgørende drivkræfter, hvis grønnere energiteknologier skal lykkes. "Det er skræmmende at konkurrere med en eksisterende teknologi, der involverer blot at bore et hul i jorden for at udvinde en energikilde, der allerede er der, " siger Moore. En videnskabeligt uddannet offentlighed, i stand til at træffe informerede stemmevalg, der påvirker, hvordan samfundet investerer i fremtidig infrastruktur, vil også være afgørende. "Vil vi vælge at foretage investeringer i teknologier, der minimerer påvirkningen af ​​klimaændringer? eller fortsætter vi med at bruge en energiinfrastruktur med komponenter og processer, der er over hundrede år gamle?"

Moore håber på fremskridt inden for enzymatiske, elektrokatalytiske og fotoelektrosyntetiske teknologier vil spille vigtige roller i en mere bæredygtig, mindre destruktiv energifremtid.