Бионический лист
Технология солнечной энергии

Bionic Leaf — это биомиметическая система, которая собирает солнечную энергию с помощью фотоэлектрических элементов , которые могут храниться или использоваться в различных функциях. Бионические листья могут состоять как из синтетических ( металлы , керамика , полимеры и т. д.), так и из органических материалов ( бактерии ) или полностью из синтетических материалов. [1] [2] Bionic Leaf имеет потенциал для внедрения в сообществах, таких как городские районы, для обеспечения чистого воздуха, а также необходимой чистой энергии. [3]

История

В 2009 году в Массачусетском технологическом институте лаборатория Дэниела Носеры впервые разработала «искусственный лист» — устройство из кремния и анодного электрокатализатора для окисления воды, способное расщеплять воду на водород и кислород. [4] В 2012 году Носера приехал в Гарвард, и к его команде присоединилась Silver Lab [5] Гарвардской медицинской школы . Вместе команды расширили существующую технологию, чтобы создать Bionic Leaf. Он объединил концепцию искусственного листа с генетически модифицированными бактериями, которые питаются водородом и преобразуют CO2 в воздухе в спиртовое топливо или химикаты. [6]

Первая версия команды Bionic Leaf была создана в 2015 году, но используемый катализатор был вреден для бактерий. [7] В 2016 году был разработан новый катализатор для решения этой проблемы, названный «Bionic Leaf 2.0». [8] [9] Другие версии искусственных листьев были разработаны Калифорнийским технологическим институтом и Объединенным центром искусственного фотосинтеза , Университетом Ватерлоо и Кембриджским университетом . [10] [11] [12]

Механика

Фотосинтез

Естественный фотосинтез против бионического листа в его простейшей форме.

В естественном фотосинтезе фотосинтезирующие организмы производят богатые энергией органические молекулы из воды и углекислого газа, используя солнечное излучение. [9] Таким образом, процесс фотосинтеза удаляет углекислый газ , парниковый газ , из воздуха. Искусственный фотосинтез, осуществляемый Bionic Leaf, примерно в 10 раз эффективнее естественного фотосинтеза. Используя катализатор, Bionic Leaf может удалять избыток углекислого газа в воздухе и преобразовывать его в полезное спиртовое топливо, такое как изопропанол и изобутанол . [13]

Эффективность искусственного фотосинтеза Bionic Leaf является результатом обхода препятствий в естественном фотосинтезе в силу его искусственности. В естественных системах существует множество узких мест преобразования энергии, которые ограничивают общую эффективность фотосинтеза. В результате большинство растений не превышают 1% эффективности, и даже микроводоросли, выращенные в биореакторах, не превышают 3%. Существующие искусственные фотосинтетические циклы «солнце-топливо» могут превышать естественную эффективность, но не могут завершить цикл посредством фиксации углерода. Когда катализаторы Bionic Leaf соединяются с бактерией Ralstonia eutropha , это приводит к гибридной системе, способной фиксировать углекислый газ. Эта система может хранить более половины своей входной энергии в виде продуктов фиксации углекислого газа. В целом, гибридная конструкция позволяет осуществлять искусственный фотосинтез с эффективностью, соперничающей с эффективностью естественного фотосинтеза. [9]

Системы искусственного фотосинтеза

Bionic Leaf — это искусственный лист, который соединяет кремниевую пластину с тройным соединением с аморфным кремниевым фотоэлектрическим элементом с катализаторами, выделяющими водород и кислород, изготовленными из тройного сплава , никель-молибден-цинка (NiMoZn) и кластера кобальт-фосфата (Co-OEC). Co-OEC может работать в природной воде при комнатной температуре. Соответственно, Bionic Leaf можно погружать в воду, и когда его держат на солнечном свете, он может осуществлять прямое преобразование солнечной энергии путем расщепления воды .

Бионический лист, благодаря Co-OEC, также проявляет свойства самосборки и самовосстановления. Co-OEC самосборка происходит при окислении иона металлической земли от 2+ до 3+. Он также самовосстанавливается при приложении потенциала, при этом кластер восстанавливается из-за равновесия между водным кобальтом и фосфатом. [1]

Bionic Leaf можно использовать в искусственных фотосинтетических системах. Одной из таких систем является гибридная система расщепления воды и биосинтеза, которая может работать при низких управляющих напряжениях. Каталитическая система Bionic Leaf используется совместно с бактерией Ralstonia eutropha . Бактерия выращивается в контакте с катализаторами, а затем потребляет полученный H 2 из реакции расщепления воды. После потребления бактерия синтезирует биомассу и топливо или химические продукты из низкой концентрации CO 2 в присутствии O 2 . Использование бактерии требует биосовместимой каталитической системы, которая не токсична для бактерии и которая снижает перенапряжение для расщепления воды. Первоначальный используемый катализатор, сплав никеля, молибдена и цинка (NiMoZn), отравил микробы, разрушив ДНК бактерий. [8] Соответственно, эта гибридная система использует катод из сплава кобальта и фосфора (Co-P), который устойчив к активным формам кислорода . Это, в свою очередь, не оставляет излишков металла и не образует кислородных радикалов , оставляя микробы и ДНК невредимыми. [7] Этот сплав управляет реакцией выделения водорода, в то время как анод из кобальта и фосфата (CoP i ) управляет реакцией выделения кислорода. [9] Этот новый катализатор может работать до 16 дней подряд по сравнению со сплавом никеля, молибдена и цинка (NiMoZn). [7] [8]

Приложения

Сельское хозяйство

Первые результаты Дэна Носеры , исследователя из Гарвардского университета , дали представление о том, как его недавно созданный бионический лист может быть использован для производства удобрений. [14] Этот новый бионический лист использует фотоэлектрические элементы в сочетании с бактериями Xanthobacter autotrophicus для создания пластика под названием полигидроксибутират (ПГБ). [15] ПГБ поставляет энергию естественным ферментам бактерий, которые затем преобразуют азот из воздуха в аммиак. Бионический лист может выполнять этот процесс, используя возобновляемую электроэнергию, что позволяет производить аммиак и биоудобрения на устойчивой основе . [16] В настоящее время основное промышленное производство аммиака осуществляется с помощью так называемого процесса Габера-Боша , который использует природный газ в качестве основного источника энергии. [17] Бактерии внутри бионического листа также помогают удалять углекислый газ из окружающей среды. Бионический лист все еще должен пройти исследование воздействия на окружающую среду, чтобы определить, безопасно ли выпускать эту бактерию в дикую природу. Хотя бионический лист в настоящее время работает с эффективностью всего 25%, исследования и разработки все еще надеются улучшить процесс. [18] Клетки X. autotrophicus действуют как живое биоудобрение из-за их способности напрямую стимулировать рост растений при нанесении на органический материал. Было проведено исследование путем сравнения растений, обработанных без удобрений, с теми же, обработанными увеличивающимся количеством культуры X. autotrophicus . Масса корней обработанных растений и общая масса увеличились примерно на 130% и 100% соответственно по сравнению с необработанной контрольной группой. [16]

Атмосфера

Углекислый газ, парниковый газ, удерживает тепло в атмосфере, бионический лист потенциально может быть использован для снижения содержания углекислого газа в атмосфере. Пока бионический лист работает, он имитирует фотосинтез, преобразуя углекислый газ в воздухе в топливо. [3] Бионический лист может устранить 180 граммов углекислого газа из 230 000 литров воздуха на каждый киловатт-час потребляемой им энергии. [19] [20] Хотя удаление больших объемов углекислого газа из атмосферы пока невозможно в больших масштабах, эта технология полезна в областях, где вырабатывается углекислый газ, например, на электростанциях. Ее также можно реализовать в городских районах, обеспечивая чистый воздух в этом районе. Эту технологию также можно использовать в меньших масштабах, помогая сообществам производить, использовать и потреблять необходимую им энергию. [21] [22]

Бионические фасады

Пример естественной вертикальной системы озеленения ( зеленая стена ) на внешней стене здания.

Бионические листья рассматривались как альтернатива вертикальным системам озеленения (VGS), также известным как зеленые фасады. Как и VGS, бионические фасады могут быть реализованы в зданиях для снижения потребления энергии от охлаждения, поглощения солнечной радиации и сокращения выбросов CO2 . [2] В отличие от своего естественного аналога, бионические фасады требуют менее дорогостоящего обслуживания ( орошение , удобрение , борьба с вредителями ) и могут быть потенциально адаптированы к внешним условиям, таким как смена сезонов. [23] Общую структуру бионических листьев, используемых для этих экспериментов, можно охарактеризовать как фотоэлектрическую (PV) ячейку или пластинчатый резистивный нагреватель, подкрепленный керамической испарительной матрицей. [2] [23] Эксперимент, сравнивающий производительность только фотоэлектрической панели с бионической листовой панелью, показал увеличение выработки электроэнергии до 6,6% за счет испарительного охлаждения от матрицы. Бионический фасад также оказал сопоставимое влияние на снижение температуры окружающей среды на границе здания и воздуха, как и зеленый фасад, засаженный плющом. Охлаждающий эффект в сочетании с выработкой электроэнергии бионическим фасадом показал сокращение выбросов CO2 , которое в 25 раз превышает среднесуточное потребление CO2 стеной из плюща. [23]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Nocera, Daniel G. (2012-05-15). «Искусственный лист». Accounts of Chemical Research . 45 (5): 767– 776. doi :10.1021/ar2003013. ISSN  0001-4842. PMID  22475039.
  2. ^ abc Шукле, Томаж; Аркар, Кирил; Медвед, Сашо (2015-11-01). «Гидротермальное исследование бионического листа — базового структурного элемента бионического фасада, вдохновленного вертикальной зеленью». Energy Procedia . 6-я Международная конференция по строительной физике, IBPC 2015. 78 : 1195–1200 . doi : 10.1016/j.egypro.2015.11.108 . ISSN  1876-6102.
  3. ^ ab Cross, Daniel T. (2019-11-12). «Новый искусственный лист может помочь нам бороться с изменением климата». Sustainability Times . Получено 2020-04-30 .
  4. ^ Биелло, Дэвид. ««Бионический лист» производит топливо из солнечного света». Scientific American . Получено 01.05.2020 .
  5. ^ "Лаборатория Памелы Сильвер | Кафедра системной биологии Гарвардской медицинской школы" . Получено 09.05.2019 .
  6. ^ "Исследователи Гарварда стали пионерами в области фотосинтетического бионического листа | Новости | The Harvard Crimson". www.thecrimson.com . Получено 01.05.2020 .
  7. ^ abc Biello, David. «Бионический лист производит топливо из солнечного света, воды и воздуха». Scientific American . Получено 30.04.2020 .
  8. ^ abc "Бионический лист превращает солнечный свет в жидкое топливо". Harvard Gazette . 2016-06-02 . Получено 2020-04-30 .
  9. ^ abcd Лю, Чонг; Колон, Брендан К.; Цизак, Марика; Сильвер, Памела А.; Носера, Дэниел Г. (2016-06-03). «Расщепление воды–биосинтетическая система с эффективностью снижения CO2, превышающей фотосинтез» (PDF) . Science . 352 (6290): 1210– 1213. doi : 10.1126/science.aaf5039 . ISSN  0036-8075. PMID  27257255.
  10. ^ "Гонка за изобретение искусственного листа". MIT Technology Review . Получено 2020-05-01 .
  11. ^ "Ученые создали "искусственный лист", который превращает углекислый газ в топливо". Waterloo News . 2019-11-04 . Получено 2020-05-01 .
  12. ^ «Искусственный лист» успешно производит чистый газ». Кембриджский университет . 2019-10-21 . Получено 2020-05-01 .
  13. ^ Бьелло, Дэвид (1 августа 2016 г.). «Новый «бионический» лист примерно в 10 раз эффективнее естественного фотосинтеза». Scientific American . № 315 . Получено 1 апреля 2020 г. .
  14. ^ «Бионический лист Гарварда может помочь накормить мир». Harvard Gazette . 2018-01-31 . Получено 2020-04-02 .
  15. ^ "Расширение досягаемости бионического листа". chemistry.harvard.edu . Получено 2020-04-02 .
  16. ^ ab Liu, Chong; Sakimoto, Kelsey K.; Colón, Brendan C.; Silver, Pamela A.; Nocera, Daniel G. (2017-06-20). «Цикл восстановления окружающего азота с использованием гибридной неорганико-биологической системы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 114 (25): 6450– 6455. doi : 10.1073/pnas.1706371114 . ISSN  0027-8424. PMC 5488957. PMID 28588143  . 
  17. ^ Appl, Max (2006), «Аммиак», Энциклопедия промышленной химии Ульмана , Американское онкологическое общество, doi :10.1002/14356007.a02_143.pub2, ISBN 978-3-527-30673-2
  18. ^ Лемоник, Сэм. «Бионический лист производит удобрения из солнечного света и воздуха». Forbes . Получено 2020-04-02 .
  19. ^ Лю, Чонг; Нангл, Шеннон Н.; Колон, Брендан К.; Сильвер, Памела А.; Носера, Дэниел Г. (2017). «13C-маркировка пути фиксации углерода высокоэффективной искусственной фотосинтетической системы». Faraday Discussions . 198 : 529–537 . doi :10.1039/c6fd00231e. ISSN  1359-6640. PMID  28294218.
  20. ^ ««Бионический лист» однажды может помочь сократить выбросы CO2 в атмосферу». www.wbur.org . Получено 30.04.2020 .
  21. ^ «Может ли «бионический лист» решить наши проблемы с климатом и энергией?». NBC News . Получено 30 апреля 2020 г.
  22. ^ Франгул, Анмар (29.04.2019). «Британские ученые планируют использовать бионические листья для борьбы с загрязнением воздуха». CNBC . Получено 30.04.2020 .
  23. ^ abc Шукле, Томаж; Медведь, Сашо; Аркар, Кирилл (01.06.2013). «Экспериментальное исследование микроклиматического слоя бионического фасада, вдохновленного вертикальной зеленью». Журнал бионической инженерии . 10 (2): 177–185 . doi :10.1016/S1672-6529(13)60213-9. ISSN  2543-2141. S2CID  137666445.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Bionic_Leaf&oldid=1195415537"