Nate Lewis keinotekoisesta fotosynteesistä

Nate Lewis, George L. Argyrosin kemian professori Kalifornian teknillisessä instituutissa, kehittää uusia tekniikoita vastaamaan tulevaisuuden valtaviin energiantarpeisiin kestävällä tavalla. Lewis on erikoistunut niin kutsuttuun keinotekoiseen fotosynteesiin. Luonnossa fotosynteesi on prosessi, jota kasvit käyttävät ruoan valmistamiseen auringon energiasta. Tohtori Lewis pyrkii jäljittelemään tätä prosessia. Erikoismateriaaleja käyttämällä hän rakentaa pieniä soluja, jotka - valon osuessa ja veden ympäröimänä - tuottavat vetypolttoainetta. Vety palaa 'puhtaana'. Toisin sanoen se ei tuota hiilidioksidia (CO2) palaessaan. Tämä podcast on osa Thanks To Chemistry -sarjaa, joka on tuotettu yhteistyössäKemiallisen perinnön säätiö. BASF Corporation tarjosi anteliasta sponsorointia. Tuotantotukea lisäsivät Camille- ja Henry Dreyfus -säätiöt, DuPont ja ExxonMobil. Nate Lewis puhui ForVM: n Beth Lebwohlin kanssa.

Kasvit käyttävät auringonvaloa ruoan valmistukseen. Se on fotosynteesi. Mutta laboratorio työskentelee keinotekoisen fotosynteesin parissa. Mikä on tavoite?

Kasvisolut. Kuvaluotto:Kristian Peters

Kasvit ymmärsivät, että paras tapa tuottaa ja hyödyntää puhdasta energiaa olisi ottaa suurin resurssimme - aurinko - ja muuntaa se sellaiseksi, joka ohjaa lähes kaikkea energiaa ja kulutusta planeetallamme tänään, eli kemiallista polttoainetta. Mutta kasvit eivät tee sitä kovin tehokkaasti, ja ne tuottavat polttoainetta, jota emme voi käyttää, ainakaan suoraan, ellet halua syödä siitä tulevia herkullisia vihanneksia. Mutta suurinta osaa kasvien tekemistä tuotteista ihmiset eivät voi käyttää suoraan polttoaineena.

Samalla tavalla kuin linnuilla on höyhenet, ja tiedämme, että siksi on mahdollista lentää, mutta emme rakenna lentokoneita höyhenistä, tiedämme, että on mahdollista ottaa auringonvalo ja valmistaa kemiallista polttoainetta. Alamme rakentaa koneitamme, jotka ottavat auringonvaloa ja tuottavat suoraan polttoainetta, jota kuka tahansa voisi käyttää missä tahansa ja milloin tahansa energiakseen.

Puhutaanpa tietystä laboratoriosi tuotteesta - valosähköisestä kemiallisesta kennosta, jota käytetään keinotekoisessa fotosynteesissä ja jonka tarkoituksena on valmistaa vetypolttoainetta - mahdollisimman yksinkertaisesti. Miten se toimii?

Tiedämme, että puolijohdemateriaalien, kuten aurinkopaneelien, mutta erilaisten materiaalien, kuten platinan ja piin, kanssa on mahdollista ottaa nämä materiaalit, ja sen sijaan, että peitämme ne sähköjohdoilla, upotamme materiaalin veteen. Ja lisäämällä auringonvaloa voidaan jakaa tämä vesi ja tuottaa vetykaasua ja happikaasua suoraan. Keräisit vedyn ja voisit käyttää sitä myöhemmin polttokennossa. Tai voit muuntaa sen nestemäiseksi polttoaineeksi tai käyttää sitä muihin tarkoituksiin. Sitten saat hapen takaisin ilmasta vety- tai muun tekemäsi polttoaineen palamiskohdassa. Tiedämme, että tämä toimii jo.

Kuvaluotto:spcbrass

Puhuit veden jakamisesta. Mitä tarkalleen tarkoitat sillä?

Veden kemiallinen kaava on H2O. Jakaaksesi sen, sinun tulee toistaa vedessä olevat siteet, jolloin muodostuu yksi H2-molekyyli ja puolet O2: sta, joka muodostaa ilmassa olevia happimolekyylejä.

Tästä syntyvä polttoaine on vety - H2 - koska se voidaan varastoida ja polttaa. Aivan kuten bensiiniä poltetaan hapella ilmasta, vety poltetaan hapella ilmasta. Tässä tapauksessa hiilidioksidin tuottamisen sijaan siitä tulisi vettä. Se on siis puhtaasti palavaa, koska ainoa sivutuote on itse asiassa juomavesi palamisprosessista.

Miltä tämä valosähköinen kemiallinen kenno näyttää? Mikä sen sisällä on, mikä saa sen tekemään tämän työn?

Se on vain joustavaa materiaalia, kuten Slip 'n Slide tai kuplakääre, monitoiminen kangas, jonka voit rullata, ja siellä on ylhäältä kirkas kerros, joka imee vettä kuin sieni ilmaa. Sitten välikerros absorboi auringonvaloa ja hajottaa vesimolekyylit vetyksi ja hapeksi. Annamme hapen vapautua aivan kuten sadetakin kautta, kun annat sen hengittää. Pohjassa imemme pois joko kaasumaisen tai nestemäisen polttoaineen, keräämme sen säiliöön ja sitten voimme käyttää sitä autojemme käyttämiseen, polttokennojen käyttämiseen, nestemäisten polttoaineiden valmistamiseen, energian tuottamiseen tarvitaan myös silloin, kun aurinko ei paista.

Mikä on tämän aikajana? Milloin voimme odottaa tämän näkevän markkinoilla, yleisessä käytössä tai teollisuudessa?

Tavoitteenamme on rakentaa prototyyppejä, jotka todella toimivat tämän hankkeen kahden ensimmäisen vuoden aikana, nimeltään Joint Center for Artificial Photosynthesis, joka on energiaministeriön sponsoroima energiainnovaatiokeskus.

Ja niin aloitamme erittäin aggressiivisen projektin, koska kukaan ei ole itse asiassa rakentanut aurinkopolttoainegeneraattoria, jota voit pitää kädessäsi ja joka on todella keinotekoinen fotosynteesijärjestelmä. Tiedämme, että ensimmäiset rakentamamme prototyypit eivät toimi kovin hyvin tai eivät ehkä kestä kovin kauan tai käyttävät ehkä liian kalliita kappaleita. Ja sitten rakennamme toisen, ja se toimii hieman paremmin. Ja sitten aiomme rakentaa kolmannen, ja se toimii vielä paremmin. Alamme oppia virheistämme, kunnes rakennamme viidennen, joka on todella se, jota yritämme ajatella siirtymisestä kaupalliseen yritykseen.

Mielestämme tämä on kehittyvä sukupolvi teknologian kehitystä. Mutta et voi lentää ennen kuin nouset maasta, ja tavoitteemme on nousta maasta, rakentaa asia, joka osoittaa, että voimme luoda tekniikan, joka pystyy todella, suoraan tekemään sen, mitä kasvit tekevät, mutta paremmin, tuottamaan polttoainetta suoraan auringosta.

Mitkä ovat suurimpia esteitä, joita kohtaat nyt tai joita olet kohdannut aiemmin keinotekoisen fotosynteesin suhteen?

On kemiallisesti vaikeaa ottaa valon fotoneja ja elektroneja, jotka tuotetaan tahtoen tai ei-kaikkialle materiaaliin, ja yhdistää ne sitten yhteen ja katkaista kemialliset siteet, joita tarvitaan todelliseen fotosynteesiin. Meidän on kehitettävä ne katalysaattorit, jotka pystyvät siihen, sekä materiaalit, jotka absorboivat valoa ja toimittavat nämä elektronit näihin katalyytteihin, niin että kaikki järjestelmän osat toimivat yhdessä sopusoinnussa samanaikaisesti.

Mikä on esimerkki tällaisesta katalyytistä?

Katalyytti juuri nyt, joka jakaa veden vetyksi ja hapeksi, olisi kallis metalli, kuten platina, yhdistettynä toiseen kalliiseen metalliin, kuten rutenium, ruteniumdioksidimuodossa. Tiedämme, että ne toimivat erittäin hyvin. Ne ovat aivan liian kalliita ajatella niiden käyttöä erittäin suurten alueiden kattamiseen, joita tarvitaan auringonvalon hyödyntämiseen. Tiedämme, että luonto osaa tehdä tämän. Se ei käytä metallia. Entsyymeissä, joita viat käyttävät vedyn valmistukseen, he käyttävät rautaa, halpaa metallia, joka tulee ruosteesta. He käyttävät nikkeliä, samaa tavaraa, jota käytimme kolikon nikkelien valmistamiseen. Joten he käyttävät todella halpaa tavaraa, ja meidän täytyy kemisteinä selvittää, kuinka saada halvat metallit toimimaan yhtä hyvin kuin kalliit, jotta meillä olisi todella edullinen tekniikka.

Mikä on tärkein asia, jonka haluat ihmisten tietävän tänään?

Tärkeintä on tietää, että jos haluamme päästä puhtaaseen energiajärjestelmään, voimme päästä osaan sinne olemassa olevan tekniikan, tuulen, auringon ja ydinvoiman avulla. Mutta et voi päästä sinne vain tekemällä halvemmaksi mitä tiedämme. Kaksi suurinta haastetta ovat, kuinka varastoit valtavia määriä sähköä ja miten teet puhdasta polttoainetta 40 prosentille kuljetuksista, joita ei voida sähköistää-aluksillemme, lentokoneillemme, raskaille kuorma-autoillemme? Rajoitetun määrän biopolttoaineita lukuun ottamatta ainoa tekninen peli kaupungissa, joka voisi ratkaista molemmat ongelmat, jotka meidän on ratkaistava planeetana voidaksemme luoda kestävän, ympäristöystävällisen ja turvallisen tulevaisuuden, on polttoaineen valmistaminen auringosta. Ja siksi teemme niin kovasti töitä tämän projektin eteen.

Kuuntele 8 minuutin ja 90 sekunnin ForVM-haastattelut Nate Lewisin kanssa keinotekoisesta fotosynteesistä sivun yläreunassa.