لسنوات عديدة ، كان العلماء يعانون من مشكلة التمثيل الضوئي الاصطناعي المجدي اقتصاديًا. الهدف هو الاستخدام الفعال للطاقة الحرة لأشعة الشمس في التفاعلات الكيميائية. حتى الآن ، كان من الممكن استخدام الأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة لهذا الغرض ، لكنها لا تشكل سوى 4 ٪ من طيف ضوء الشمس. بالنسبة لأجزاء أخرى من الطيف ، تم العثور على عدد قليل من المواد الفعالة حتى الآن ، ولكنها تتطلب إضافات باهظة الثمن: البلاتين (31 دولارًا للجرام) ، الرينيوم (1000 دولار للجرام) أو الإيريديوم (35 دولارًا للجرام).
قام أستاذ الكيمياء فرناندو أوريبي رومو من جامعة سنترال فلوريدا وطلابه
بتطوير مادة اصطناعية جديدة تحول ثاني أكسيد الكربون إلى وقود تحت تأثير فوتونات الضوء. تحل هذه المواد مشكلتين في وقت واحد: تقلل من كمية غازات الدفيئة وتوفر وقودًا "صديقًا للبيئة". والأهم من ذلك ، لا حاجة للمعادن الثمينة لتصنيعها! يستخدم التيتانيوم الذي يباع بالكيلوجرامات - وهو أرخص بألف مرة تقريبًا من البلاتين أو الإيريديوم.
المواد الاصطناعية هي إطار معدني عضوي (معدن - إطار عضوي ، MOF). بالمناسبة ، يتم استخدام MOFs مماثلة من Zr
6 O
4 (OH)
4 (stearyl fumarate)
6 ]
لتكثيف الماء من الهواء ، أيضًا باستخدام ضوء الشمس فقط. تخيل أنه حتى في الصحراء الأكثر جفافاً ، تضع زجاجة فارغة في الشارع - وهي نفسها مليئة بالماء.
يوضح الرسم التوضيحي أدناه الهيكل البلوري للبلورة المعدنية العضوية MOF MIL-125 لعملية التمثيل الضوئي الاصطناعي.
في هذه الحالة ، تستخدم الهياكل المعدنية العضوية أيضًا الفوتونات الخفيفة للطاقة ، لكنها تنتج مواد عضوية غير ضارة عند الإخراج - مثل الكثير من النباتات تنتج المواد الغذائية ومواد البناء لأنفسهم في عملية التمثيل الضوئي الطبيعي. يتم تجميع الطاقة الشمسية بواسطة جزيئات تسمى N-alkyl-2-aminoterephthalates. يجادل مؤلفو العمل العلمي بأنه يمكن تعديل الجزيئات للاستجابة لأجزاء معينة من الطيف. في هذه الحالة ، تم استخدام رد فعل للأزرق. في الاختبار ، تم تشعيع المواد بمصابيح LED زرقاء.
مفاعل ضوئي. الصورة: جامعة سنترال فلوريداتم ضخ ثاني أكسيد الكربون في نوع من "المفاعل الضوئي" مع ضوء خلفي قوي LED. نتيجة لعملية التمثيل الضوئي في وزارة المالية ، تم تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى فورمات وفورماتيدات. الفورمات هي أملاح حمض الفورميك ، والفورميدات هي أميدات حمض الفورميك. هذا نوع من الوقود الشمسي.
سيواصل فرناندو أوريبي رومو البحث: يريد دراسة فعالية التمثيل الضوئي الاصطناعي عند أطوال موجية مختلفة ، وكذلك عند تركيز أعلى من ثاني أكسيد الكربون ، حيث يجب أن تزيد فعالية التمثيل الضوئي. يقول الأستاذ إنه إذا كانت العملية تعمل بكفاءة ، فإن هذه المادة ستساعد في تقليل مستوى غازات الدفيئة في الغلاف الجوي وستعمل بطريقة نظيفة لإنتاج الوقود. يقول المؤلف: "إن هذا العمل يمثل اختراقاً". "إن صنع المواد لامتصاص طيف معين من الضوء أمر صعب للغاية من الناحية العلمية ، ولكن من وجهة نظر اجتماعية ، نحن نساعد في تطوير تقنية يمكنها تقليل مستويات غازات الدفيئة."
البروفيسور فرناندو أوريبي رومو. الصورة: جامعة سنترال فلوريداربما سيبدأون في المستقبل في بناء محطات طاقة من نوع جديد - مصانع كاملة ستبدأ في امتصاص ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي بكميات كبيرة وتنتج الوقود. لا داعي للقلق بشأن نقص ثاني أكسيد الكربون - من السهل للغاية تعويضه ، بحيث تحتوي النباتات الخضراء على الأرض دائمًا على مادة كافية للحياة.
على اليسار يوجد متساوي الحرارة لامتصاص ثاني أكسيد الكربون (273 كلفن) ، على اليمين هو فرق المحتوى الحراري للامتصاصيتخيل البروفيسور حتى أن الناس في المستقبل سيغطيون أسطح المنازل بمواد معدنية عضوية كهذه ، وبالتالي توليد الطاقة للأسرة وتنقية الهواء في الفناء.
تم
نشر العمل العلمي في 7 أبريل 2017 في مجلة
Journal of Materials Chemistry A (doi: 10.1039 / C7TA00437K ،
pdf ).