تکنیک فتوسنتز مصنوعی دوگانه جهت تولید هیدروژن و متان

به زبان ساده، فرآیند فتوسنتز انرژی نورانی را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کند. در گیاهان و انواع خاصی از جلبک‌ها، انرژی خورشید به عنوان منبع انرژی برای سنتز و تولید کربوهیدرات‌ها و قندهای ساده از کربن دی اکسید و آب استفاده می‌شود. در نمونه‌ی اولیه سامانه دوگانه آزمایشگاه برکلی که قبلا تولید شده‌ بود، آرایشی غشائی از نانو سیم‌های ساخته شده از سیلیکون و تیتانیوم اکسید انرژی خورشیدی را دریافت می‌کرد و الکترون‌ها را به میکروب‌ها انتقال می‌داد. این موجودات با استفاده از کربن دی اکسید و انرژی دریافتی از فرآیند قبلی، دامنه‌ای از ترکیبات شیمیایی را تولید می‌کردند.

پروفسور پیدانگ ینگ از شیمیدان‌های بخش علوم مواد آزمایشگاه برکلی می‌گوید:

این تحقیق پیشرفت کلیدی دیگری را در بهره‌وری و کارآیی تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی شیمیایی و فتوسنتز مصنوعی نشان می‌دهد. با تولید هیدروژن تجدیدپذیر و انتقال آن به میکروب‌ها جهت تولید متان، اکنون می‌توان انتظار راندمان تبدیل انرژی الکتریکی به شیمیایی بالاتر از 50 درصد و کارآیی تبدیل انرژی خورشیدی به شیمیایی 10 درصدی را در صورت ترکیب سامانه با پنل خورشیدی و الکترولایزر داشت.

هر چند مفاهیم اساسی در هر دو نسل طراحی سامانه فتوسنتز مصنوعی به مقدار زیادی مشابه است، اما در مطالعه اول محققان از باکتری بی‌هوازی Sporomusa ovata برای تبدیل کربنِ دی اکسید، پس از خوراندن الکترون‌ها به میکروارگانیسم‌ها، استفاده کردند. اما در تحقیق دوم محققین غشاء را با توده‌ای از Methanosarcina barkeri پوشاندند که این باکتری از انواع آرکئاهای بی‌هوازی است که کربن دی اکسید را مستقیما با استفاده  از هیدروژن، تبدیل‌‌ می‌کند. (آرکئاها میکروارگانیسم‌هایی تک‌سلولی‌اند که هسته‌ی سلولی و دیگر اندامک‌های غشاءدار را ندارند.)

در روش دوم، آب از طریق واکنش تولید گاز هیدروژن (HER) به هیدروژن تبدیل می‌شود. این واکنش با اضافه کردن نانوذرات نیکل سولفید کاتالیز و تسریع می‌شود و در نتیجه تحت شرایط مساعد زیستی با کارآیی بالا انجام می‌پذیرد.

میشل چنگ عضو تیم تحقیقاتی و استاد شیمی با مرتبه دانشیاری در آزمایشگاه برکلی می‌گوید:

استفاده از هیدروژن به جای الکترون‌ها به عنوان انتقال‌دهنده انرژی، فرآیند را بسیار کارآمدتر می‌کند، چرا که هیدروژن مولکولی از طریق پیوند شیمیایی‌اش، ظرفیت بسیار بیشتری جهت ذخیره‌سازی و انتقال انرژی دارد.

در حالی که ما از فرآیند طبیعی فتوسنتز الهام گرفته‌ایم؛ به واسطه استفاده از نانوفناوری برای کمک به افزایش کارآیی سامانه طبیعی، نشان دادیم که گاهی می‌توان حتی بهتر از طبیعت عمل کرد.

این تحقیق علاوه بر نگاه چند شاخه‌ای با هدف تولید بازه ای از گازها و مواد شیمیایی، همچنین ارگانیسم‌های زنده را نیز به مجموعه سامانه عملکردی اضافه کرده‌ است. اگر چه روش‌های صرفا الکتریکی، برای تولید هیدروژن با استفاده از انرژی خورشید کارآیی شان در حال افزایش است، و همچنین اکنون امکان‌پذیر شده‌ است تا از نور خورشید در کنار یک سری عناصر فراوان و ارزان برای تولید هیدروژن استفاده شود، اما این ایده که بتوان گستره‌ای از گازهای پرانرژی و قابل استفاده را تنها با استفاده از نور خورشید، آب، کربن دی اکسید و میکروب‌های طبیعی در فرآیندی با پتانسیل تجاری سازی تولید کرد، دارای پتانسیل بسیار بالقوه‌ای است تا از آن برای تولید سامانه‌های تولید انرژی به صورت خودکفا و دوستدار محیط زیست استفاده کرد.

کریس چنگ از دیگر اعضای تیم تحقیقاتی و پروفسور شیمی در آزمایشگاه برکلی می گوید:

 تبدیل مستقیم کربن دی اکسید به متان توسط کاتالیزورهای مصنوعی و سنتزی چالشی بزرگ است و ما را برآن‌ داشت تا متان را به عنوان هدف اصلی برای تولید در نظر بگیریم. از آنجا که ما هنوز جهت تهیه اغلب متان موردنیاز متکی به گاز طبیعی هستیم و همچنین گاز طبیعی سوختی فسیلی است که از طریق استخراج آن‌را به دست می‌آوریم، این که ما بتوانیم متان را از طریق منبعی تجدید پذیر از هیدروژن تهیه‌کنیم؛ مزیتی مهم برای کار ما است.

نتایج این تحقیق اخیرا در مجله «مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم» PNAS به چاپ رسیده‌است.