Искусственный фотосинтез
Искусственный процесс, использующий энергию солнечного света для осуществления химического синтеза

Искусственный фотосинтез — это химический процесс , который биомиметизирует естественный процесс фотосинтеза . Термин «искусственный фотосинтез» используется в широком смысле, относясь к любой схеме захвата и последующего хранения энергии солнечного света путем производства топлива, в частности солнечного топлива . [1] Преимущество искусственного фотосинтеза заключается в том, что солнечная энергия может преобразовываться и храниться. Напротив, при использовании фотоэлектрических элементов солнечный свет преобразуется в электричество, а затем снова преобразуется в химическую энергию для хранения, с некоторыми необходимыми потерями энергии, связанными со вторым преобразованием. Побочные продукты этих реакций являются экологически чистыми. Искусственно фотосинтезированное топливо могло бы быть источником энергии с нейтральным уровнем выбросов углерода , но это никогда не было продемонстрировано в каком-либо практическом смысле. Экономика искусственного фотосинтеза неконкурентоспособна. [2]

Обзор

Было описано множество схем искусственного фотосинтеза.

2 H 2 O → 2 H 2 + O 2 Эта схема является простейшей формой искусственного фотосинтеза с концептуальной точки зрения, но она не была продемонстрирована каким-либо практическим способом.

2 CO 2 → 2 CO + O 2 Схожие процессы дают муравьиную кислоту (HCO2H): 2 H 2 O + 2 CO 2 → 2 HCO 2 H + O 2 Вариации могут производить формальдегид или, что эквивалентно, углеводы: 2 H 2 O + CO 2 → H 2 CO + O 2 Эти процессы воспроизводят естественную фиксацию углерода .

Естественный (слева) и искусственный фотосинтез (справа)

Из-за социально-экономических последствий искусственный фотосинтез очень актуален, несмотря на множество проблем. [4] [5] [2] [6] В идеале единственными входами для производства такого солнечного топлива были бы вода, углекислый газ и солнечный свет. Единственным побочным продуктом был бы кислород, [5] [2] [7] при использовании прямых процессов. [8] [9] [10]

История

Искусственный фотосинтез был впервые предсказан итальянским химиком Джакомо Чамичанином в 1912 году. [11] В лекции, которая позже была опубликована в журнале Science [12], он предложил перейти от использования ископаемого топлива к лучистой энергии, вырабатываемой солнцем и улавливаемой техническими фотохимическими устройствами. В этом переходе он увидел возможность уменьшить разницу между богатым севером Европы и бедным югом и рискнул предположить, что этот переход от угля к солнечной энергии «не будет вреден для прогресса и человеческого счастья». [13]

В конце 1960-х годов Акира Фудзисима открыл фотокаталитические свойства диоксида титана , так называемый эффект Хонды-Фудзисимы, который можно было использовать для гидролиза . [14]

Видимое расщепление воды светом с помощью цельного многопереходного полупроводникового устройства (по сравнению с УФ-светом с помощью полупроводников из диоксида титана) было впервые продемонстрировано и запатентовано Уильямом Айерсом в Energy Conversion Devices в 1983 году. [15] [16] Эта группа продемонстрировала фотолиз воды на водород и кислород, теперь называемый «искусственным листом» с помощью недорогого тонкопленочного аморфного кремниевого многопереходного листа, погруженного непосредственно в воду. Водород выделялся на передней аморфной кремниевой поверхности, украшенной различными катализаторами, в то время как кислород выделялся из металлической подложки задней стороны, что также устраняло опасность выделения смешанного водорода/кислорода. Полимерная мембрана над погруженным устройством обеспечивала путь для переноса протонов. Более высокое фотонапряжение, доступное от многопереходного тонкопленочного устройства с видимым светом, было большим шагом вперед по сравнению с предыдущими попытками фотолиза с УФ или другими однопереходными полупроводниковыми фотоэлектродами. В патенте группы также перечислены несколько других полупроводниковых многопереходных композиций в дополнение к аморфному кремнию.

Начиная с 1990-х годов, многое было изучено о катализаторах реакции выделения водорода [17] и реакции выделения кислорода . [18] К сожалению, несмотря на интенсивные усилия, ни одна практическая система не была продемонстрирована. [19] [20] [21]

Катализ

Каталитическая триада

Триадная сборка с фотосенсибилизатором (P), соединенным в тандеме с катализатором окисления воды (D) и катализатором выделения водорода (A). Электроны перетекают от D к A, когда происходит катализ.

Некоторые концепции искусственного фотосинтеза состоят из отдельных компонентов, [22] которые вдохновлены естественным фотосинтезом: [23] [24]

Эти процессы можно воспроизвести с помощью триадной сборки, которая может окислять воду на одном катализаторе, восстанавливать протоны на другом и иметь молекулу фотосенсибилизатора для питания всей системы [25]

Катализаторы

Предполагается, что некоторые катализаторы для солнечных топливных элементов будут производить водород. [23]

1) Гомогенная система — это система, в которой катализаторы не разделены на отсеки , то есть компоненты находятся в одном и том же отсеке. Это означает, что водород и кислород производятся в одном и том же месте. Это может быть недостатком, так как они образуют взрывоопасную смесь, требующую разделения газовых продуктов. Кроме того, все компоненты должны быть активны примерно в одинаковых условиях (например, pH ). 2) Гетерогенная система имеет два отдельных электрода , анод и катод, что делает возможным разделение производства кислорода и водорода. Кроме того, различные компоненты не обязательно должны работать в одинаковых условиях. Однако повышенная сложность этих систем делает их более сложными в разработке и более дорогими. [26]

Избранные катализаторы

Многие катализаторы были оценены как для выделения O 2 , так и для восстановительных сторон процесса. Перечисленные ниже, которые включают как окислитель, так и восстановитель, не являются практическими, но иллюстративными:

[36] Подобно естественному фотосинтезу, такие искусственные листья могут использовать тандем поглотителей света для общего расщепления воды или сокращения CO 2. Эти интегрированные системы могут быть собраны на легких, гибких субстратах, в результате чего получаются плавающие устройства, напоминающие листья лотоса. [37]

  • Материалы на основе металлорганического каркаса (MOF) оказались весьма перспективными кандидатами для окисления воды с помощью переходных металлов первого ряда. [38] [39] Прогнозируется, что стабильность и настраиваемость этой системы будут весьма полезны для будущих разработок. [40]

Стабильность катализатора

Катализаторы для искусственного фотосинтеза, как ожидается, будут влиять на обороты в миллионах. Катализаторы часто корродируют в воде, особенно при облучении. Таким образом, они могут быть менее стабильны, чем фотоэлектрические элементы в течение длительного времени. Водородные катализаторы очень чувствительны к кислороду, инактивируются или деградируют в его присутствии; также со временем может возникнуть фотоповреждение. [23] [41]

Научно-исследовательские центры

Швеция

Шведский консорциум по искусственному фотосинтезу, первый в своем роде, был создан в 1994 году как сотрудничество между группами из трех университетов: Лунда , Уппсалы и Стокгольма , и в настоящее время активно работает вокруг Лунда и лабораторий Ангстрема в Уппсале. [42] Консорциум был создан с использованием междисциплинарного подхода, чтобы сосредоточиться на изучении естественного фотосинтеза и применении этих знаний в биомиметических системах. [24]

НАС

В 2010 году Министерство энергетики США создало Объединенный центр искусственного фотосинтеза [ 43] с целью поиска экономически эффективного метода производства топлива с использованием только солнечного света, воды и углекислого газа в качестве исходных материалов. [44]

Япония

Сообщалось, что Mitsubishi Chemical Holdings разрабатывает собственные исследования искусственного фотосинтеза, используя солнечный свет, воду и углекислый газ для «создания углеродных строительных блоков, из которых могут быть синтезированы смолы, пластик и волокна». [45] Это было подтверждено созданием Института KAITEKI позднее в том же году, одной из главных целей которого было сокращение углекислого газа посредством искусственного фотосинтеза. [46] [47]

Глобальный

Ведущие эксперты в этой области поддержали предложение о Глобальном проекте по искусственному фотосинтезу как комбинированном решении энергетической безопасности и изменения климата. [48] Конференции по этой теме проводились на острове Лорд-Хау в 2011 году, [49] в Чичели-холле в Великобритании в 2014 году [50] и в Канберре и на острове Лорд-Хау в 2016 году. [51]

Различные компоненты

Катализаторы водорода

Водород — простейшее солнечное топливо. Его образование включает только передачу двух электронов двум протонам:

2 е − + 2 Н + → Н 2

Ферменты гидрогеназы осуществляют это преобразование [23] [ 52 ] [53]

Фотокатализатор диродий [54] и кобальтовые катализаторы. [23] [55]

Катализаторы окисления воды

Окисление воды — более сложная химическая реакция, чем восстановление протона. В природе комплекс, выделяющий кислород, выполняет эту реакцию, накапливая восстановительные эквиваленты (электроны) в кластере марганца-кальция в фотосистеме II (ФС II), а затем доставляя их молекулам воды, в результате чего образуется молекулярный кислород и протоны:

2 ЧАС 2 О → О 2 + 4 ЧАС + + 4е -

Без катализатора (естественного или искусственного) эта реакция является очень эндотермической и требует высоких температур (не менее 2500 К). [10]

Точную структуру комплекса, выделяющего кислород, было трудно определить экспериментально. [56] По состоянию на 2011 год наиболее подробная модель была получена из кристаллической структуры фотосистемы II с разрешением 1,9 Å. [57] Комплекс представляет собой кластер, содержащий четыре иона марганца и один ион кальция , но точное местоположение и механизм окисления воды внутри кластера неизвестны. Тем не менее, были синтезированы биоинспирированные комплексы марганца и марганца-кальция, такие как кластеры типа кубана [Mn 4 O 4 ] , некоторые из которых обладают каталитической активностью. [58]

Некоторые комплексы рутения , такие как двухъядерный μ-оксомостиковый «синий димер» (первый в своем роде, который был синтезирован), способны к окислению воды под действием света, благодаря способности образовывать высоковалентные состояния . [23] В этом случае комплекс рутения действует как фотосенсибилизатор и катализатор. Эти комплексы и другие молекулярные катализаторы по-прежнему привлекают исследователей в этой области, имея различные преимущества, такие как четкая структура, активный центр и простой в изучении механизм. Одной из основных проблем, которую необходимо преодолеть, является их краткосрочная стабильность и их эффективная гетерогенизация для применения в устройствах искусственного фотосинтеза. [59]

Было обнаружено, что многие оксиды металлов обладают каталитической активностью окисления воды, включая оксид рутения (IV) (RuO 2 ), оксид иридия (IV) (IrO 2 ), оксиды кобальта (включая легированный никелем Co 3 O 4 ) , оксид марганца (включая слоистый MnO 2 (бернессит), Mn 2 O 3 ) и смесь Mn 2 O 3 с CaMn 2 O 4 . Оксиды легче получить, чем молекулярные катализаторы, особенно те, которые из относительно распространенных переходных металлов (кобальта и марганца), но они страдают от низкой частоты оборота и медленных свойств переноса электронов , а механизм их действия трудно расшифровать и, следовательно, скорректировать. [9]

Фотосенсибилизаторы

Структура [Ru(bipy) 3 ] 2+ , широко используемого фотосенсибилизатора.

Природа использует пигменты , в основном хлорофиллы , для поглощения широкой части видимого спектра. Искусственные системы могут использовать либо один тип пигмента с широким диапазоном поглощения, либо комбинировать несколько пигментов для той же цели.

Комплексы рутения и полипиридина , в частности трис(бипиридин)рутения(II) и его производные, широко используются в фотопроизводстве водорода из-за их эффективного поглощения видимого света и долгоживущего последующего возбужденного состояния переноса заряда от металла к лиганду , что делает комплексы сильными восстановителями. [23] Другие используемые комплексы, содержащие благородные металлы , включают комплексы с платиной , родием и иридием . [23]

Не содержащие металлов органические комплексы также успешно использовались в качестве фотосенсибилизаторов. Примерами являются эозин Y и бенгальский розовый . [23] Пиррольные кольца, такие как порфирины, также использовались в покрытиях наноматериалов или полупроводников как для гомогенного, так и для гетерогенного катализа. [9] [36]

В рамках текущих исследовательских усилий изучаются искусственные фотонные антенные системы для определения эффективных и устойчивых способов сбора света для искусственного фотосинтеза. Джион Кальзаферри (2009) описывает одну такую ​​антенну, которая использует цеолит L в качестве носителя для органических красителей, чтобы имитировать системы сбора света растений. [60] Антенна изготавливается путем вставки молекул красителя в каналы цеолита L. Процесс вставки, который происходит в условиях вакуума и высокой температуры, становится возможным благодаря кооперативному колебательному движению каркаса цеолита и молекул красителя. [61] Полученный материал может быть подключен к внешнему устройству через промежуточный кран. [62] [63]

Катализаторы восстановления диоксида углерода

В природе фиксация углерода осуществляется зелеными растениями с использованием фермента RuBisCO как части цикла Кальвина . RuBisCO является довольно медленным катализатором по сравнению с подавляющим большинством других ферментов, включая всего несколько молекул углекислого газа в рибулозо-1,5-бисфосфат в минуту, но делает это при атмосферном давлении и в мягких биологических условиях. [64] Полученный продукт далее восстанавливается и в конечном итоге используется в синтезе глюкозы , которая, в свою очередь, является предшественником более сложных углеводов , таких как целлюлоза и крахмал . Процесс потребляет энергию в форме АТФ и НАДФН .

Искусственное восстановление CO 2 для производства топлива направлено в основном на получение восстановленных углеродных соединений из атмосферного CO 2 . Для этой цели были разработаны некоторые комплексы полифосфинов переходных металлов ; однако, они обычно требуют предварительной концентрации CO 2 перед использованием, а носители (молекулы, которые будут фиксировать CO 2 ), которые являются как стабильными в аэробных условиях, так и способными концентрировать CO 2 в атмосферных концентрациях, еще не разработаны. [65] Простейшим продуктом восстановления CO 2 является оксид углерода (CO), но для разработки топлива необходимо дальнейшее восстановление (например, до многоуглеродных продуктов), и ключевым шагом, также требующим дальнейшего развития, является перенос гидридных анионов в CO. [65]

Фотобиологическое производство топлива

Другая область исследований в области искусственного фотосинтеза — это селекция и манипуляция фотосинтетическими микроорганизмами, а именно зелеными микроводорослями и цианобактериями , для производства солнечного топлива. Многие штаммы производят водород естественным образом. [66] Биотопливо из водорослей, такое как бутанол и метанол, производилось в различных масштабах. Этот метод выиграл от развития синтетической биологии , [66] [67] [68] Были разработаны различные виды биотоплива, например, уксусная кислота из углекислого газа с использованием «бактерий-киборгов». [69]

Некоторые солнечные элементы способны расщеплять воду на кислород и водород, что примерно в десять раз эффективнее естественного фотосинтеза. [70] [71] Sun Catalytix, стартап, работающий на основе искусственного листа, заявил, что не будет масштабировать прототип, поскольку устройство обеспечивает лишь незначительную экономию по сравнению с другими способами получения водорода из солнечного света. [72]

Некоторые фотоавтотрофные микроорганизмы могут при определенных условиях производить водород. Азотфиксирующие микроорганизмы, такие как нитчатые цианобактерии , обладают ферментом нитрогеназой , ответственным за преобразование атмосферного N 2 в аммиак ; молекулярный водород является побочным продуктом этой реакции и часто не выделяется микроорганизмом, а скорее поглощается водородоокисляющей (поглощающей) гидрогеназой. Один из способов заставить эти организмы производить водород — это затем уничтожить активность поглощения гидрогеназы. Это было сделано на штамме Nostoc punctiforme : один из структурных генов поглощения гидрогеназы NiFe был инактивирован инсерционным мутагенезом , и мутантный штамм показал выделение водорода под освещением. [73]

Многие из этих фотоавтотрофов также имеют двунаправленные гидрогеназы, которые могут производить водород при определенных условиях. Однако другие энергетически требовательные метаболические пути могут конкурировать с необходимыми электронами для восстановления протонов, снижая эффективность всего процесса; кроме того, эти гидрогеназы очень чувствительны к кислороду. [66]

Несколько видов биотоплива на основе углерода также были получены с использованием цианобактерий, например, 1-бутанол. [74]

Методы синтетической биологии, как ожидается, будут полезны для этой темы. Микробиологическая и ферментативная инженерия имеют потенциал для улучшения эффективности и надежности ферментов, а также для создания новых метаболических путей производства биотоплива в фотоавтотрофах, которые ранее их не имели, или улучшения существующих. [66] [74] Другая разрабатываемая тема — оптимизация фотобиореакторов для коммерческого применения. [75]

Производство продуктов питания

Исследователи добились контролируемого роста разнообразных продуктов питания в темноте с помощью солнечной энергии и искусственного фотосинтеза на основе электрокатализа . Это может стать способом повышения энергоэффективности производства продуктов питания и снижения его воздействия на окружающую среду . [76] [77] Однако неясно, являются ли механизмы производства продуктов питания, основанные на экспериментальном процессе, жизнеспособными и могут ли они быть масштабированы.

Некоторые преимущества, недостатки и эффективность

Проблема, обычно решаемая при проектировании катализатора, — это эффективность, в частности, то, сколько падающего света может быть использовано в системе на практике. Это сопоставимо с эффективностью фотосинтеза , где измеряется преобразование света в химическую энергию. Фотосинтетические организмы способны собирать около 50% падающего солнечного излучения, однако теоретический предел эффективности фотосинтеза составляет 4,6 и 6,0% для растений C3 и C4 соответственно. [78] В действительности эффективность фотосинтеза намного ниже и обычно составляет менее 1%, за некоторыми исключениями, такими как сахарный тростник в тропическом климате. [79] Напротив, самая высокая зарегистрированная эффективность для лабораторных прототипов искусственного фотосинтеза составляет 22,4%. [80] Однако растения эффективно используют CO2 при атмосферных концентрациях, чего искусственные катализаторы все еще не могут сделать. [81]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Кудо, Акихико; Мисеки, Юго (2009). «Гетерогенные фотокаталитические материалы для расщепления воды». Chem. Soc. Rev. 38 ( 1): 253–278 . doi :10.1039/b800489g. PMID  19088977.
  2. ^ abc "The Difference Engine: The sunbeam solution". The Economist . 11 февраля 2011 г.
  3. ^ Бартон, Эмили Э.; Рампулла, Дэвид М.; Бокарсли, Эндрю Б. (2008). «Селективное восстановление CO 2 до метанола с помощью солнечной энергии с использованием катализируемой фотоэлектрохимической ячейки на основе p-GaP». Журнал Американского химического общества . 130 (20): 6342– 6344. doi :10.1021/ja0776327. PMID  18439010.
  4. ^ Navarro, RM; del Valle, F.; de la Mano, JA Villoria; Álvarez-Galván, MC; Fierro, JLG (2009). Фотокаталитическое расщепление воды под видимым светом: концепция и разработка катализаторов . Достижения в области химической инженерии. Том 36. С.  111– 143. doi :10.1016/S0065-2377(09)00404-9. ISBN 9780123747631.
  5. ^ ab Styring, Stenbjörn (21 декабря 2011 г.). «Искусственный фотосинтез для солнечного топлива». Faraday Discussions . 155 (Предварительная статья): 357– 376. Bibcode : 2012FaDi..155..357S. doi : 10.1039/C1FD00113B. PMID  22470985.
  6. ^ Листорти, Андреа; Дюррант, Джеймс; Барбер, Джим (декабрь 2009 г.). «Солнечная энергия в топливо». Nature Materials . 8 (12): 929– 930. Bibcode : 2009NatMa...8..929L. doi : 10.1038/nmat2578. PMID  19935695.
  7. ^ «Искусственный фотосинтез может производить пищу в полной темноте». scitechdaily.com . 25 июня 2022 г. . Получено 28 июня 2022 г. .
  8. ^ Гатман, Эндрю. «Энергия со скоростью света». Онлайн-исследование . PennState. Архивировано из оригинала 12 июля 2012 г. Получено 16 января 2012 г.
  9. ^ abc Карраро, Мауро; Сарторель, Андреа; Тома, Франческа; Пунториеро, Фаусто; Скандола, Франко; Кампанья, Себастьяно; Прато, Маурицио; Бончио, Марселла (2011). Проблемы искусственного фотосинтеза: окисление воды на наноструктурированных границах раздела . Темы современной химии. Том. 303. С.  121–150 . doi :10.1007/128_2011_136 (неактивно с 1 ноября 2024 г.). ISBN 978-3-642-22293-1. PMID  21547686.{{cite book}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )
  10. ^ ab Bockris, JO'M.; Dandapani, B.; Cocke, D.; Ghoroghchian, J. (1985). «О расщеплении воды». Международный журнал водородной энергетики . 10 (3): 179– 201. Bibcode : 1985IJHE...10..179B. doi : 10.1016/0360-3199(85)90025-4.
  11. ^ Армароли, Никола ; Бальзани, Винченцо (2007). «Будущее энергоснабжения: проблемы и возможности». Angewandte Chemie . 46 ( 1– 2): 52– 66. doi :10.1002/anie.200602373. PMID  17103469.
  12. ^ Ciamician, Giacomo (1912). «Фотохимия будущего». Science . 36 (926): 385– 394. Bibcode : 1912Sci....36..385C. doi : 10.1126/science.36.926.385. PMID  17836492.
  13. ^ Balzani, Vincenzo; et al. (2008). «Фотохимическое преобразование солнечной энергии». ChemSusChem . 1 ( 1– 2): 26– 58. Bibcode : 2008ChSCh...1...26B. doi : 10.1002/cssc.200700087. PMID  18605661.
  14. ^ Фудзисима, Акира; Рао, Тата Н.; Трайк, Дональд А. (29 июня 2000 г.). «Фотокатализ диоксида титана». Журнал фотохимии и фотобиологии C: Обзоры фотохимии . 1 (1): 1– 21. doi :10.1016/S1389-5567(00)00002-2. S2CID  73665845.
  15. ^ Уильям Айерс, патент США 4,466,869 «Фотолитическое производство водорода»
  16. ^ Айерс, В. М. и Каннелла, В. (1984) «Тандемные аморфные кремниевые фотокатоды», Труды Международной конференции по электродинамике и квантовым явлениям на интерфейсах, Телави, СССР
  17. ^ Кяркас, Маркус Д.; Веро, Оскар; Джонстон, Эрик В.; Окермарк, Бьорн (2014). «Искусственный фотосинтез: молекулярные системы каталитического окисления воды». Химические обзоры . 114 (24): 11863–12001 . doi :10.1021/cr400572f. ПМИД  25354019.
  18. ^ Кяркас, Маркус Д.; Веро, Оскар; Джонстон, Эрик В.; Окермарк, Бьорн (2014). «Искусственный фотосинтез: молекулярные системы каталитического окисления воды». Химические обзоры . 114 (24): 11863–12001 . doi :10.1021/cr400572f. ПМИД  25354019.
  19. ^ Хэм, Ренс; Нильсен, К. Джессли; Пуллен, Соня; Рик, Йост NH (2023). «Супрамолекулярные координационные клетки для искусственного фотосинтеза и синтетического фотокатализа». Chemical Reviews . 123 (9): 5225– 5261. doi :10.1021/acs.chemrev.2c00759. PMC 10176487 . PMID  36662702. 
  20. ^ Рейес Круз, Эдгар А.; Нисиори, Дайки; Уодсворт, Брайан Л.; Нгуен, Нги П.; Хенсли, Лиллиан К.; Хуснутдинова, Диана; Бейлер, Анна М.; Мур, ГФ (2022). «Молекулярно-модифицированные фотокатоды для применения в искусственном фотосинтезе и технологиях преобразования солнечного излучения в топливо». Chemical Reviews . 122 (21): 16051– 16109. doi :10.1021/acs.chemrev.2c00200. PMID  36173689.
  21. ^ Хэм, Ренс; Нильсен, К. Джессли; Пуллен, Соня; Рик, Йост NH (2023). «Супрамолекулярные координационные клетки для искусственного фотосинтеза и синтетического фотокатализа». Chemical Reviews . 123 (9): 5225– 5261. doi :10.1021/acs.chemrev.2c00759. PMC 10176487 . PMID  36662702. 
  22. ^ Кампанья, Себастьяно; Настази, Франческо; Ла Ганга, Джузеппина; Серрони, Сколастика; Санторо, Антонио; Арриго, Антонино; Пунториеро, Фаусто (2023). «Самособирающиеся системы искусственного фотосинтеза». Физическая химия Химическая физика . 25 (3): 1504–1512 . Бибкод : 2023PCCP...25.1504C. дои : 10.1039/d2cp03655j . ПМИД  36448376.
  23. ^ abcdefghi Andreiadis, Eugen S.; Chavarot-Kerlidou, Murielle; Fontecave, Marc; Artero, Vincent (сентябрь–октябрь 2011 г.). «Искусственный фотосинтез: от молекулярных катализаторов для расщепления воды под действием света до фотоэлектрохимических ячеек». Фотохимия и фотобиология . 87 (5): 946–964 . doi : 10.1111/j.1751-1097.2011.00966.x . PMID  21740444.
  24. ^ ab Hammarström, Leif; Styring, Stenbjörn (27 марта 2008 г.). «Сопряженные переносы электронов при искусственном фотосинтезе». Philosophical Transactions of the Royal Society . 363 (1494): 1283– 1291. doi :10.1098/rstb.2007.2225. PMC 2614099. PMID  17954432 . 
  25. ^ Гаст, Девенс; Мур, Томас А.; Мур, Ана Л. (2009). «Солнечное топливо с помощью искусственного фотосинтеза». Отчеты о химических исследованиях . 42 (12): 1890– 1898. doi :10.1021/ar900209b. PMID  19902921.
  26. ^ Ван, Цянь (24 августа 2020 г.). «Молекулярно спроектированный фотокаталитический лист для масштабируемого производства солнечного формиата из углекислого газа и воды» (PDF) . Nature Energy . 5 (9): 703– 710. Bibcode :2020NatEn...5..703W. doi :10.1038/s41560-020-0678-6. S2CID  225203917.
  27. ^ дель Валле, Ф.; Ишикава, А.; Домен, К. (май 2009 г.). «Влияние концентрации Zn на активность Cd
    1- х    Zn
    х    Твердые растворы S     для расщепления воды под видимым светом». Catalysis Today . 143 ( 1– 2): 51– 59. doi :10.1016/j.cattod.2008.09.024.
  28. ^ Хенсель, Дженнифер; Ван, Гонгмин; Ли, Ят; Чжан, Цзинь Ц. (2010). «Синергический эффект сенсибилизации квантовыми точками CdSe и легирования азотом наноструктур TiO 2 для фотоэлектрохимической генерации солнечного водорода». Nano Letters . 10 (2): 478– 483. Bibcode :2010NanoL..10..478H. doi :10.1021/nl903217w. PMID  20102190.
  29. ^ Kanan, Matthew W.; Nocera, Daniel G. (22 августа 2008 г.). «In Situ Formation of an Oxygen-Evolving Catalyst in Neutral Water Containing Phosphate and Co 2+ ». Science . 321 (5892): 1072– 1075. Bibcode :2008Sci...321.1072K. doi :10.1126/science.1162018. PMID  18669820. S2CID  206514692.
  30. ^ Lutterman, Daniel A.; Surendranath, Yogesh; Nocera, Daniel G. (2009). «Самовосстанавливающийся катализатор, выделяющий кислород». Журнал Американского химического общества . 131 (11): 3838– 3839. doi :10.1021/ja900023k. PMID  19249834.
  31. ^ "Прорыв в области солнечной энергетики: исследователи нашли дешевый и простой способ хранения энергии, вырабатываемой солнечными батареями". Technologyreview.com . Получено 19 апреля 2011 г.
  32. ^ Кляйнер, Курт. «Электрод освещает путь к искусственному фотосинтезу». NewScientist . Reed Business Information Ltd . Получено 10 января 2012 г. .
  33. ^ "Система генерации водорода с помощью света на основе недорогих комплексов карбонила железа". AZoNano.com . AZoNetwork. 2 декабря 2009 г. Получено 19 апреля 2011 г.
  34. ^ Гертнер, Феликс; Сундарараджу, Баскер; Суркус, Аннет-Энрика; Боддиен, Альберт; Логес, Бьорн; Юнге, Хенрик; Дикснеф, Пьер Х; Беллер, Матиас (21 декабря 2009 г.). «Световое производство водорода: эффективные катализаторы восстановления воды на основе железа». Angewandte Chemie, международное издание . 48 (52): 9962–9965 . doi :10.1002/anie.200905115. ПМИД  19937629.
  35. ^ Нанн, Томас; Ибрагим, Саад К; Вой, Пей-Мэн; Сюй, Шу; Циглер, Ян; Пикетт, Кристофер Дж. (22 февраля 2010 г.). «Расщепление воды видимым светом: нанофотокатод для производства водорода». Angewandte Chemie International Edition . 49 (9): 1574– 1577. doi : 10.1002/anie.200906262 . PMID  20140925.
  36. ^ ab Kalyanasundaram, K.; Grätzel, M. (июнь 2010 г.). «Искусственный фотосинтез: биомиметические подходы к преобразованию и хранению солнечной энергии». Current Opinion in Biotechnology . 21 (3): 298– 310. doi :10.1016/j.copbio.2010.03.021. PMID  20439158.
  37. ^ Андрей, Вирджил; Укоски, Геани М.; Порнрунгрой, Чанон; Усвачоке, Чавит; Ван, Цянь; Ахиллеос, Деметра С.; Касап, Хатидже; Сокол, Катажина П.; Ягт, Роберт А.; Лу, Хайцзяо; и др. (17 августа 2022 г.). «Плавающие устройства на основе перовскита-BiVO4 для масштабируемого производства солнечного топлива». Nature . 608 (7923): 518– 522. Bibcode :2022Natur.608..518A. doi :10.1038/s41586-022-04978-6. PMID  35978127. S2CID  251645379.
  38. ^ Бинод Непал; Сиддхартха Дас (2013). «Устойчивое окисление воды с помощью изолированной каталитической клетки в металлорганическом каркасе». Angew. Chem. Int. Ed . 52 (28): 7224– 27. CiteSeerX 10.1.1.359.7383 . doi :10.1002/anie.201301327. PMID  23729244. 
  39. ^ Ребекка Э. Хансен; Сиддхартха Дас (2014). «Биомиметический димарганцевый катализатор, изолированный в клетке в MOF: надежный катализатор для окисления воды с Ce(IV), не являющимся донором O окислителем». Energy Environ. Sci . 7 (1): 317– 322. doi :10.1039/C3EE43040E.
  40. ^ Новости химии и машиностроения
  41. ^ Крассен, Хеннинг; Отт, Саша; Хеберле, Иоахим (2011). «Производство водорода in vitro — использование энергии солнца». Физическая химия Химическая физика . 13 (1): 47– 57. Bibcode :2011PCCP...13...47K. doi :10.1039/C0CP01163K. PMID  21103567.
  42. ^ "Шведский консорциум по искусственному фотосинтезу". Университет Уппсалы. Архивировано из оригинала 20 января 2012 года . Получено 24 января 2012 года .
  43. ^ "Главная – Объединенный центр искусственного фотосинтеза". Solarfuelshub.org . Получено 7 ноября 2012 г. .
  44. ^ "Caltech-led Team Gets up to $122 Million for Energy Innovation Hub". Caltech Media Relations. 21 июля 2010 г. Архивировано из оригинала 9 августа 2011 г. Получено 19 апреля 2011 г.
  45. ^ "Искусственный фотосинтез стремится изменить мир". Digitalworldtokyo.com. 14 января 2009 г. Получено 19 апреля 2011 г.
  46. ^ "Создание института KAITEKI Inc". CSR Environment . mitsubishi.com . Получено 10 января 2012 г. .
  47. ^ "Исследования". Институт KAITEKI . Получено 10 января 2012 г.
  48. ^ Faunce TA, Lubitz W, Rutherford AW, MacFarlane D, Moore GF, Yang P, Nocera DG, Moore TA, Gregory DH, Fukuzumi S, Yoon KB, Armstrong FA, Wasielewski MR, Styring S (2013). «Политика в области энергетики и окружающей среды для глобального проекта по искусственному фотосинтезу». Энергетика и наука об окружающей среде . 6 (3): 695– 698. doi :10.1039/C3EE00063J. S2CID  97344491.
  49. ^ На пути к глобальному искусственному фотосинтезу Остров Лорд-Хау 2011 "Искусственный фотосинтез". Архивировано из оригинала 28 марта 2016 года . Получено 7 апреля 2016 года .опубликовано в Australian Journal of Chemistry , том 65, номер 6, 2012 г., под названием «Искусственный фотосинтез: энергия, нанохимия и управление»
  50. ^ Нужен ли нам глобальный проект по искусственному фотосинтезу? опубликовано в Interface Focus Vol 5(3) июнь 2015 г.
  51. ^ Глобальный искусственный фотосинтез — прорывы в области сустаиноцена Канберра и остров Лорд-Хау 2016. medicalschool.anu.edu.au
  52. ^ Тард, Седрик; Пикетт, Кристофер Дж. (2009). «Структурные и функциональные аналоги активных участков [Fe]-, [NiFe]- и [FeFe]-гидрогеназ». Chemical Reviews . 109 (6): 2245– 2274. doi :10.1021/cr800542q. PMID  19438209.
  53. ^ Tard, Cédric; Liu, Xiaoming; Ibrahim, Saad K.; Bruschi, Maurizio; De Gioia, Luca; Davies, Siân C.; Yang, Xin; Wang, Lai-Sheng; et al. (2005). "Синтез каркаса H-кластера гидрогеназы, содержащей только железо". Nature . 433 (7026): 610– 613. Bibcode :2005Natur.433..610T. doi :10.1038/nature03298. PMID  15703741. S2CID  4430994.
  54. ^ Хейдук, Алан Ф.; Носера (31 августа 2001 г.). «Дэниел Г.». Science . 293 (5535): 1639– 1641. Bibcode :2001Sci...293.1639H. doi :10.1126/science.1062965. PMID  11533485. S2CID  35989348.
  55. ^ Ху, Ксиле; Коссэрт, Брэнди М.; Бруншвиг, Брюс С.; Льюис, Натан С.; Питерс, Джонас К. (2005). «Электрокаталитическое выделение водорода комплексами дифторборил-диглиоксимат кобальта» (PDF) . Chemical Communications . 37 (37): 4723– 4725. doi :10.1039/B509188H. PMID  16175305.
  56. ^ Яно, Джунко; Керн, Ян; Ирганг, Клаус-Дитер; Латимер, Мэтью Дж.; Бергманн, Уве; Глатцель, Питер; Пушкар, Юлия; Бесядка, Яцек; Лолл, Бернхард; Зауэр, Кеннет; Мессингер, Йоханнес; Зоуни, Афина; Ячандра, Виттал К. (23 августа 2005 г.). "Рентгеновское повреждение комплекса Mn4Ca в монокристаллах фотосистемы II: исследование случая для кристаллографии металлопротеинов". Труды Национальной академии наук . 102 (34): 12047– 12052. Bibcode : 2005PNAS..10212047Y. doi : 10.1073/pnas.0505207102 . PMC 1186027. PMID  16103362 . 
  57. ^ Ясуфуми, Умена; Каваками, Кейсуке; Шен, Цзянь-Рен; Камия, Нобуо (5 мая 2011 г.). «Кристаллическая структура фотосистемы II, выделяющей кислород, с разрешением 1,9 Å» (PDF) . Nature . 473 (7345): 55– 60. Bibcode : 2011Natur.473...55U. doi : 10.1038/nature09913. PMID  21499260. S2CID  205224374.
  58. ^ Dismukes, G. Charles; Brimblecombe, Robin; Felton, Greg AN; Pryadun, Ruslan S.; Sheats, John E.; Spiccia, Leone; Swiegers, Gerhard F. (2009). «Разработка катализаторов окисления воды Bioinspired 4 O 4 −Cubane: уроки фотосинтеза». Accounts of Chemical Research . 42 (12): 1935– 1943. doi :10.1021/ar900249x. PMID  19908827.
  59. ^ Чжан, Бяобяо; Сан, Личэн (2019). «Искусственный фотосинтез: возможности и проблемы молекулярных катализаторов». Chemical Society Reviews . 48 (7): 2216–2264 . doi : 10.1039/C8CS00897C . PMID  30895997.
  60. ^ Calzaferri, Gion (2010). "Искусственный фотосинтез" (PDF) . Темы катализа . 53 (3): 130– 140. doi :10.1007/s11244-009-9424-9. S2CID  195282014.
  61. ^ Табакки, Глория; Кальзаферри, Джион; Фуа, Этторе (2016). «Одномерная самосборка перилендиимидных красителей путем однонаправленного транзита отверстий каналов цеолита». Chemical Communications . 52 (75): 11195– 11198. doi : 10.1039/C6CC05303C . hdl : 11383/2057444 . PMID  27484884.
  62. ^ Calzaferri, Gion; Méallet-Renault, Rachel; Brühwiler, Dominik; Pansu, Robert; Dolamic, Igor; Dienel, Thomas; Adler, Pauline; Li, Huanrong; Kunzmann, Andreas (2011). «Проектирование гибридных материалов для антенн на основе красителя и наноканала для сбора, транспортировки и улавливания света». ChemPhysChem . 12 (3): 580– 594. doi : 10.1002/cphc.201000947 . PMID  21337487.
  63. ^ Табакки, Глория; Фуа, Этторе; Кальзаферри, Гион (2015). «Структура входов наноканалов в функционализированном краном цеолите L». Angewandte Chemie International Edition . 54 (38): 11112– 11116. doi : 10.1002/anie.201504745. hdl : 11383/2030753 . PMID  26255642. S2CID  205388715.
  64. ^ Эллис Дж. Р. (2010). «Борьба с неразумным дизайном». Nature . 463 (7278): 164– 165. Bibcode : 2010Natur.463..164E. doi : 10.1038/463164a. PMID  20075906. S2CID  205052478.
  65. ^ ab Дюбуа, М. Раковски; Дюбуа, Дэниел Л. (2009). «Разработка молекулярных электрокатализаторов для восстановления CO2 и получения/окисления H2». Accounts of Chemical Research . 42 (12): 1974–1982 . doi :10.1021/ar900110c. PMID  19645445.
  66. ^ abcd Магнусон, Энн; Андерлунд, Магнус; Йоханссон, Олоф; Линдблад, Питер; Ломот, Райнер; Поливка, Томас; Отт, Саша; Стеншо, Карин; Стайринг, Стенбьерн; Сундстрем, Вилли; Хаммарстрем, Лейф (декабрь 2009 г.). «Биомиметические и микробные подходы к производству солнечного топлива». Отчеты о химических исследованиях . 42 (12): 1899–1909 . doi : 10.1021/ar900127h. ПМИД  19757805.
  67. ^ JCVI. "Synthetic Biology & Bioenergy – Overview". Институт Дж. Крейга Вентера . Получено 17 января 2012 г.
  68. ^ "Водород из воды в новой рекомбинантной цианобактериальной системе". Институт Дж. Крейга Вентера . Получено 17 января 2012 г.
  69. ^ МакГрат, Мэтт (22 августа 2017 г.). «Бактерии-киборги поставляют зеленый источник топлива из солнечного света». BBC News .
  70. ^ "Дебют первого практического "искусственного листа"". ACS News Releases . American Chemical Society. Архивировано из оригинала 24 февраля 2013 года . Получено 10 января 2012 года .
  71. ^ Reece, Steven Y.; Hamel, Jonathan A.; Sung, Kimberly; Jarvi, Thomas D.; Esswein, Arthur J.; Pijpers, Joep JH; Nocera, Daniel G. (4 ноября 2011 г.). «Беспроводное солнечное расщепление воды с использованием полупроводников на основе кремния и катализаторов, богатых землей». Science . 334 (6056): 645– 648. Bibcode :2011Sci...334..645R. doi :10.1126/science.1209816. PMID  21960528. S2CID  12720266.
  72. ^ Ван Ноорден, Ричард (2012). «Искусственный лист» сталкивается с экономическим препятствием». Природа . дои : 10.1038/nature.2012.10703 . S2CID  211729746.
  73. ^ Линдберг, Пиа; Шютц, Катрин; Хаппе, Томас; Линдблад, Питер (ноябрь–декабрь 2002 г.). «Мутантный штамм Nostoc punctiforme ATCC 29133, производящий водород и не содержащий гидрогеназы». Международный журнал водородной энергетики . 27 ( 11– 12): 1291– 1296. Bibcode :2002IJHE...27.1291L. doi :10.1016/S0360-3199(02)00121-0.
  74. ^ ab Lan, Ethan I.; Liao, James C. (июль 2011 г.). «Метаболическая инженерия цианобактерий для производства 1-бутанола из диоксида углерода». Metabolic Engineering . 13 (4): 353– 363. doi :10.1016/j.ymben.2011.04.004. PMID  21569861.
  75. ^ Кунджапур, Адитья М.; Элдридж, Р. Брюс (2010). «Проект фотобиореактора для коммерческого производства биотоплива из микроводорослей». Industrial and Engineering Chemistry Research . 49 (8): 3516– 3526. doi :10.1021/ie901459u.
  76. ^ Рейнольдс, Мэтт. «Ученые пытаются выращивать урожай в темноте». Wired . Получено 23 июля 2022 г.
  77. ^ Ханн, Элизабет К.; Овера, Шон; Харланд-Дунауэй, Маркус; Нарваэс, Андрес Ф.; Ле, Данг Н.; Ороско-Карденас, Марта Л.; Цзяо, Фэн; Джинкерсон, Роберт Э. (июнь 2022 г.). «Гибридная неорганико-биологическая искусственная система фотосинтеза для энергоэффективного производства продуктов питания». Nature Food . 3 (6): 461– 471. doi : 10.1038/s43016-022-00530-x . PMID  37118051. S2CID  250004816.
  78. ^ Бланкеншип, Роберт Э .; Тиде, Дэвид М.; Барбер, Джеймс; Брудвиг, Гэри В.; Флеминг, Грэм; Жирарди, Мария; Ганнер, М. Р.; Юнге, Вольфганг; Крамер, Дэвид М .; Мелис, Анастасиос; Мур, Томас А.; Мозер, Кристофер К.; Носера, Дэниел Г.; Нозик, Артур Дж.; Орт, Дональд Р.; Парсон, Уильям В.; Принс, Роджер К.; Сэйр, Ричард Т. (13 мая 2011 г.). «Сравнение фотосинтетической и фотоэлектрической эффективности и определение потенциала для улучшения». Science . 332 (6031): 805– 809. Bibcode :2011Sci...332..805B. doi : 10.1126/science.1200165. PMID  21566184. S2CID  22798697.
  79. ^ Армароли, Никола ; Бальзани, Винченцо (2016). «Солнечная электричество и солнечное топливо: статус и перспективы в контексте энергетического перехода». Химия – Европейский журнал . 22 (1): 32–57 . doi :10.1002/chem.201503580. PMID  26584653.
  80. ^ Бонке, Шеннон А.; и др. (2015). «Возобновляемое топливо из концентрированной солнечной энергии: к практическому искусственному фотосинтезу». Энергетика и наука об окружающей среде . 8 (9): 2791– 2796. doi :10.1039/c5ee02214b. S2CID  94698839.
  81. ^ Биелло, Дэвид. «Растения против фотоэлектрических систем: что лучше для улавливания солнечной энергии?». Scientific American . Получено 17 января 2012 г.
  • Разработка активируемых светом металлопротеинов для расщепления воды в Австралийском национальном университете
  • Дэниел Носера описывает новый процесс хранения солнечной энергии в Массачусетском технологическом институте.
  • Пол Аливисатос об искусственном фотосинтезе в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли
  • Нанокапсулы для искусственного фотосинтеза. Статья в Nanowerk News.
  • Проект MIT Solar Revolution Архивировано 28 марта 2014 г. на Wayback Machine
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Искусственный_фотосинтез&oldid=1264875466"