Штучний фотосинтез

Шту́чний фотоси́нтез — хімічний процес, який відтворює природний процес фотосинтезу; процес, який перетворює сонячне світло, воду і вуглекислий газ у вуглеводи і кисень.

Штучний фотосинтез, в ході якого сонячна енергія перетворюється безпосередньо в хімічне паливо, вважається однією з найперспективніших технологій. Одним із головних завдань для вчених, що розробляють систему штучного фотосинтезу для отримання водню, є необхідність зробити цю систему досить дешевою, щоб вона змогла конкурувати з викопним паливом. Вирішення цього завдання вимагає розробки комплексної системи, яка буде здатна ефективно поглинати сонячне світло і в той же час виробляти носії заряду для контролю скорочення витрати води і напівреакцій окиснення.

Інтегрована наносистема

Учені з Національної лабораторії Лоуренса в Берклі (Berkeley Lab) у співпраці з Міністерством енергетики США представили першу в світі розробку повністю інтегрованої наносистеми для штучного фотосинтезу. Таку систему прийнято називати «штучний лист», однак ключем до успіху вчених став «штучний ліс».

Штучний листок — це сонячна батарея на основі кремнію з різними каталітичними матеріалами, які кріплять до обох сторін. Під час занурення у воду пристрій використовує енергію сонячного світла для розщеплення води на кисень та водень.^[1]

Коли сонячне світло поглинається пігментними молекулами хлоропласту, виробляється заряджений електрон, що переміщається від однієї молекули до іншої через транспортний ланцюжок, поки в результаті не відбувається перетворення двоокису вуглецю в вуглеводи цукру. Цей транспортний ланцюжок електрона називається «Z — схема», тому що шлях руху нагадує букву Z.

Учені використовували Z-схему, для якої взяли два наявних в достатку на Землі стабільних напівпровідника — кремній і оксид титану. Кремній був використаний для утворення фотокатода, який виділяє водень, а оксид титану — для утворення фотоанода, який виділяє кисень. Для досягнення максимальної продуктивності системи було використано деревоподібна структура. Як дерева в справжньому лісі, щільні масиви нанодротів — штучні дерева — придушують відбиття сонячного світла, звільняючи велику площу поверхні для утворення речовини, необхідної для проходження реакцій.

Під штучним сонячним випромінюванням ця інтегрована система штучного фотосинтезу, в основі якої лежить ідея використання нанодротів, досягла 0,12% ефективності перетворення сонячної енергії в паливо. Хоча даний рівень ефективності можна спостерігати і в природному середовищі, при штучному фотосинтезі в комерційних цілях його можна значно підвищити^[2].