Yapay “yaprak” ışık, su ve CO₂'den sıvı yakıt üretiyor

Yale Üniversitesi'ndeki bir araştırma ekibi, bir bitki yaprağının fotosentezine dayanarak güneş ışığı, su ve CO₂'den bağımsız olarak metanol formunda sıvı yakıt üretebilen bir tür yapay “yaprak” geliştirdi. Cihazın, bu şekilde metanol üretmeye yönelik önceki girişimlerden 32 kat daha iyi performans gösterdiği söyleniyor.

Doğal fotosentez sırasında bitki yaprağı, algler ve bazı bakteri türleri, suyu ve karbondioksiti glikoza dönüştürmek için güneş ışığını kullanır. Bu, oksijenin atmosfere salınmasını sağlar. Yale kimya profesörü Hailiang Wang liderliğindeki bilim adamları, bu prensibi katalizörler, güneş ışığı, su ve karbondioksit kullanarak sıvı yakıt üretmek için kullandılar. Journal of the American Chemical Society'de yayınlanan “CO₂ ve H₂O'dan Güneş Metanol Üretimi için Monolitik Yapay Yaprak” çalışmasında araştırmacılar, süreçte üretilen metanolün yalnızca güneş ışığı, su ve CO₂ adlı üç bileşenden elde edildiğini vurguluyor.

Yapay “yaprağın” kalbi, Wang ve meslektaşlarının son birkaç yılda geliştirip sürekli iyileştirdiği bir katalizör ve fotoelektrottur. Birlikte, doğal kaynakların yapay yakıta güçlü ve verimli bir şekilde dönüştürülmesini sağlarlar.

Güçlü elektrokatalizör ve fotoelektrot

Proje, 2019 yılında katalizörün geliştirilmesiyle başladı. Elektrik kullanarak karbondioksit ve suyu metanole dönüştürebiliyor. Bu heterojen bir moleküler elektrokatalizördür. Sıvı elektrolit içinde çalışan katı bir katalizör malzemesinden oluşur. Bu nedenle heterojen olarak adlandırılmıştır. Katalizörün aktif merkezi moleküler bir yapı içerir, dolayısıyla molekülerdir.

Kobalt ftalosiyanin veya türevlerinin ayrı ayrı molekülleri, haddelenmiş grafen tabakalarından yapılmış karbon nanotüplerin yüzeyine yerleştirilir. Araştırmacıların açıkladığı gibi bu nanotüpler elektronlar için bir otoyol görevi görüyor. Katalitik merkezlere hızlı ve sürekli olarak elektron sağlanabiliyor, bu da karbondioksitin metanole dönüştürülmesini sağlıyor. Buna altı elektronlu indirgeme denir. İşlem, altı elektronun bir karbondioksit molekülüne enjekte edilmesini içerir. Moleküler katalizörlerle yapılan önceki işlemlerde, elektron tedariği sınırlıydı, dolayısıyla ortaya çıkan iki elektronlu indirgeme işlemi yalnızca karbondioksitin karbon monoksite dönüştürülmesini mümkün kılıyordu.

Yale Üniversitesi Sanat ve Bilim Enstitüsü'nde lisans ve yüksek lisans öğrencisi olan Wang'ın meslektaşı Bo Shang, çekirdeği fulleren karbonla kaplanmış bir dizi silikon mikro sütundan oluşan bir fotoelektrot geliştirdi. Bu yapı, yük oluşumu ve ayrımı için daha uygun bir geometriye sahiptir. Aynı zamanda elektron transferi için özel olarak hazırlanmış bir arayüze ve katalizör için daha geniş bir yüzey alanına sahiptir. Bu, CO₂'nin silikon bazlı metanole genel olarak daha verimli bir fotoelektrik dönüşümüyle sonuçlanır.

Bilim adamlarına göre dönüşüm süreci, bugüne kadar geliştirilen diğer işlemlere göre 32 kat daha verimli. Daha büyük ölçekte üretimin mümkün olması için yapay “yaprağın” ölçeklendirilmesi de muhtemelen mümkündür.

Araştırma çalışması, Güneş Enerjisinden Sıvı Yakıtlara Hibrit Yaklaşımlar Merkezi (CHASE) tarafından yürütülen bir araştırma projesinin parçası olarak yürütülüyor. ABD'de federal hükümet tarafından finanse edilen güneş enerjisi araştırma merkezinin toplam yedi araştırma kurumu bulunuyor. Kuzey Carolina Üniversitesi – Chapel Hill'de (UNC Chapel Hill) bulunur. Yale Üniversitesi'nden araştırmacıların yanı sıra, Kuzey Carolina Eyalet Üniversitesi-Raleigh, UNC Chapel Hill ve Pennsylvania Üniversitesi'nden bilim adamları da katılıyor.

(olb)