دانشمندان گامی چشمگیر در مسیر دستیابی به انرژی پایدار برداشتهاند؛ آنها موفق به ساخت برگ مصنوعیای شدهاند که میتواند تنها با استفاده از نور خورشید، دیاکسیدکربن را به سوخت مایع و سایر ترکیبات شیمیایی ارزشمند تبدیل کند.
تیمی از متخصصان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (Berkeley Lab) وابسته به وزارت انرژی آمریکا، به همراه همکاران بینالمللی خود، موفق شدهاند عملکرد فوقالعاده فتوسنتز طبیعی را بازآفرینی کنند—اما اینبار با قابلیتهای بالقوه برای استفاده در مقیاس صنعتی.
این سیستم مستقل، با ترکیب قدرت کاتالیزوری مس و مادهی «پروسکایت»—معدنی از جنس اکسید کلسیم-تیتانیوم که در پنلهای خورشیدی بسیار کاربرد دارد—موفق به جذب نور خورشید و تبدیل مستقیم CO₂ به مولکولهای کربن-کربن (C₂) شده است.
مولکولهای C₂ که به عنوان کربن دیاتومیک (دو اتمی) شناخته میشوند، از ترکیبات پایه و حیاتی برای صنایعی چون تولید سوخت و پلاستیکسازی به شمار میآیند.
این پروژه بخشی از اتحاد «نور خورشید مایع» (LiSA) است—طرحی که با حمایت مالی وزارت انرژی آمریکا و به رهبری مؤسسه Caltech و همکاری نزدیک با Berkeley Lab انجام میشود. در این پروژه، بیش از ۱۰۰ دانشمند از نهادهایی چون SLAC، آزمایشگاه ملی انرژیهای تجدیدپذیر، دانشگاههای UC Irvine، UC San Diego، و Oregon مشارکت دارند. هدف LiSA توسعه فناوریهایی است که نور خورشید، CO₂ و آب را به سوخت تبدیل کنند.
پیدونگ یانگ، استاد برجسته علم مواد در آزمایشگاه برکلی و استاد شیمی و مهندسی مواد در دانشگاه برکلی، میگوید:
«الهام ما از طبیعت بود. ابتدا روی اجزای جداگانه کار کردیم، اما وقتی همه قطعات را کنار هم گذاشتیم و دیدیم که سیستم کار میکند، لحظهای بسیار هیجانانگیز بود.»
یانگ و تیمش با الگوبرداری از فرآیندهای طبیعی برگ گیاه، دستگاهی به اندازه یک تمبر پستی ساختند که عملکرد برگ سبز در جذب انرژی خورشید را تقلید میکند. اما به جای کلروفیل—مولکولی طبیعی که رنگ سبز برگها را ایجاد کرده و در فتوسنتز نقش کلیدی دارد—از گیرندههای نوری پروسکایت مبتنی بر هالید سرب برای جذب نور استفاده شد.
این گیرندهها با الکتروکاتالیستهای مسی بسیار دقیق همراه شدند؛ کاتالیستهایی که طراحی آنها شبیه گلهای کوچک است و برای انجام واکنشهای شیمیایی ضروریاند. طراحی این الکتروکاتالیستها از آنزیمهایی در طبیعت الهام گرفته شده که تنظیمکننده فتوسنتز هستند. یانگ توضیح میدهد که هر جزء فتوسنتز در برگ باید با دقت بازتولید و بهینهسازی میشد.
اگرچه در برخی پژوهشهای قبلی از مواد زیستی برای انجام فتوسنتز مصنوعی استفاده شده بود، تیم یانگ تصمیم گرفت از مس بهره بگیرد—مادهای غیرآلی که انتخابپذیری پایینتری نسبت به آنزیمهای زیستی دارد. با این حال، مس مزایای مهمی دارد: دوام بیشتر، پایداری بالاتر، و عمر عملیاتی طولانیتر؛ ویژگیهایی که برای مقیاسپذیری فناوری حیاتی هستند.
در این پروژه، متخصصان LiSA اجزای کاتد و آند را طراحی کردند و برای اتصال آنها به فلز، از تجهیزات موجود در «بنیاد مولکولی» آزمایشگاه برکلی بهره گرفتند. هنگام آزمایش دستگاه، از شبیهساز خورشیدی استفاده شد تا تابش مداوم نور خورشید را بازسازی کند. این آزمایش نشان داد که سیستم میتواند CO₂ را با بازده مناسب به مولکولهای C₂ تبدیل کند—ساختارهایی کلیدی در بسیاری از صنایع.
با تکیه بر پیشرفتهای پیشین، دانشمندان موفق شدند در بخش آند نوری، یک واکنش اکسیداسیون آلی را فعال کنند و همزمان در بخش کاتد نوری، مولکولهای C₂ تولید کنند. این موفقیت منجر به طراحی معماری واقعی یک برگ مصنوعی شد که در قالب دستگاهی به اندازه تمبر، تنها با نور خورشید CO₂ را به C₂ تبدیل میکند.
تیم پژوهشی معتقد است که توانایی برگ مصنوعی در تولید ترکیبات C₂ میتواند به تولید مواد اولیه مهم برای صنایعی چون سوختهای سنگین (مثلاً برای هواپیماها که بهسختی برقرسانی میشوند) و پلیمرهای پلاستیکی منجر شود. یانگ و همکارانش در تلاشاند تا بهرهوری سیستم را افزایش دهند و اندازه دستگاه را گسترش دهند تا این فناوری به مرحله استفاده عملی برسد.
منبع: کلیک کنید
