Konstgjord fotosyntes - Artificial photosynthesis

Konstgjord fotosyntes är en kemisk process som biomimerar den naturliga processen för fotosyntes för att omvandla solljus , vatten och koldioxid till kolhydrater och syre . Termen artificiell fotosyntes används vanligtvis för att hänvisa till alla system för att fånga och lagra energin från solljus i de kemiska bindningarna av ett bränsle (ett solbränsle ). Fotokatalytisk vattenspridning omvandlar vatten till väte och syre och är ett stort forskningsämne för artificiell fotosyntes. Ljusdriven koldioxidreduktion är en annan undersökt process som replikerar naturlig kolfixering .

Forskning om detta ämne inkluderar design och montering av enheter för direkt produktion av solbränslen, fotoelektrokemi och dess tillämpning i bränsleceller, och konstruktion av enzymer och fotoautotrofa mikroorganismer för mikrobiellt biobränsle och bioväteproduktion från solljus.

Översikt

Den fotosyntetiska reaktionen kan delas in i två halvreaktioner av oxidation och reduktion , som båda är väsentliga för att producera bränsle . Vid växtfotosyntes fotooxideras vattenmolekyler för att frigöra syre och protoner. Den andra fasen av växtfotosyntes (även känd som Calvin-Benson-cykeln ) är en ljusoberoende reaktion som omvandlar koldioxid till glukos (bränsle). Forskare av artificiell fotosyntes utvecklar fotokatalysatorer som kan utföra båda dessa reaktioner. Dessutom kan protonerna som härrör från vattensplittring användas för väteproduktion. Dessa katalysatorer måste kunna reagera snabbt och absorbera en stor andel av de infallande solfotonerna .

Naturlig (vänster) kontra artificiell fotosyntes (höger)

Medan solceller kan ge energi direkt från solljus, sätter bränsleproduktionens ineffektivitet från solceller (indirekt process) och det faktum att solskenet inte är konstant hela dagen en gräns för dess användning. Ett sätt att använda naturlig fotosyntes är för produktion av ett biobränsle , vilket är en indirekt process som lider av låg energiomvandlingseffektivitet (på grund av fotosyntesens egen låga effektivitet vid omvandling av solljus till biomassa), kostnaderna för skörd och transport av bränslet, och konflikter på grund av det ökande behovet av landmassa för livsmedelsproduktion. Syftet med artificiell fotosyntes är att producera ett bränsle från solljus som kan lagras bekvämt och användas när solljus inte är tillgängligt, genom att använda direkta processer, det vill säga för att producera ett solbränsle . Med utvecklingen av katalysatorer som kan reproducera de viktigaste delarna av fotosyntesen, skulle vatten och solljus i slutändan vara de enda nödvändiga källorna för ren energiproduktion. Den enda biprodukten skulle vara syre, och produktionen av ett solbränsle har potential att bli billigare än bensin.

En process för att skapa en ren och prisvärd energiförsörjning är utvecklingen av fotokatalytisk vattensplittring under solsken. Denna metod för hållbar väteproduktion är ett viktigt mål för utvecklingen av alternativa energisystem . Det förutspås också vara ett av de mer, om inte de mest, effektiva sätten att få väte från vatten. Omvandlingen av solenergi till väte via en vattenklyvningsprocess som assisteras av fotokonduktorkatalysatorer är en av de mest lovande teknikerna i utvecklingen. Denna process har potential för stora mängder väte att genereras på ett ekologiskt sunt sätt. Omvandlingen av solenergi till ett rent bränsle (H 2 ) under omgivande förhållanden är en av de största utmaningarna för forskare under det tjugoförsta århundradet.

Två metoder är allmänt kända för konstruktion av solbränsleceller för väteproduktion:

  • Ett homogent system är ett sådant att katalysatorer inte delas upp , det vill säga komponenter finns i samma fack. Detta innebär att väte och syre produceras på samma plats. Detta kan vara en nackdel, eftersom de utgör en explosiv blandning som kräver separering av gasprodukter. Alla komponenter måste också vara aktiva under ungefär samma förhållanden (t.ex. pH ).
  • Ett heterogent system har två separata elektroder , en anod och en katod, vilket möjliggör separation av syre och väteproduktion. Dessutom behöver olika komponenter inte nödvändigtvis arbeta under samma förhållanden. Men den ökade komplexiteten hos dessa system gör dem svårare att utveckla och dyrare.

Ett annat forskningsområde inom artificiell fotosyntes är urval och manipulation av fotosyntetiska mikroorganismer, nämligen gröna mikroalger och cyanobakterier , för produktion av solbränslen. Många stammar kan producera väte naturligt, och forskare arbetar för att förbättra dem. Algebiobränslen som butanol och metanol produceras både i laboratorie- och kommersiell skala. Denna metod har gynnats av utvecklingen av syntetisk biologi , som också utforskas av J. Craig Venter Institute för att producera en syntetisk organism som kan producera biobränslen. Under 2017 utvecklades en effektiv process för att producera ättiksyra från koldioxid med hjälp av "cyborgbakterier".

Historia

Konstgjord fotosyntes förväntades först av den italienska kemisten Giacomo Ciamician under 1912. I en föreläsning som senare publicerades i Science föreslog han en övergång från användningen av fossila bränslen till strålningsenergi från solen och fångas av tekniska fotokemiska enheter. I denna växling såg han en möjlighet att minska skillnaden mellan det rika norra Europa och fattiga söder och vågade sig en gissning om att denna övergång från kol till solenergi "inte skulle vara skadlig för framstegen och för människors lycka."

Under slutet av 1960-talet upptäckte Akira Fujishima de fotokatalytiska egenskaperna hos titandioxid , den så kallade Honda-Fujishima-effekten, som kan användas för hydrolys .

Synligt ljusvatten som splittrades med en helledande halvledaranordning (mot UV -ljus med titandioxidhalvledare) demonstrerades och patenterades först av William Ayers vid Energy Conversion Devices under 1983. Denna grupp demonstrerade vattenfotolys till väte och syre, nu benämnt som ett "konstgjort blad" med en låg kostnad, tunnfilm, amorf kisel -multifunktionsark nedsänkt direkt i vatten. Väte utvecklades på den främre amorfa kiselytan dekorerad med olika katalysatorer medan syre utvecklades från metallsubstratet på baksidan vilket också eliminerade risken för blandad väte/syrgasutveckling. Ett polymermembran ovanför den nedsänkta anordningen gav en väg för protontransport. Den högre fotovolta som finns tillgänglig från multijuktion -tunnfilmsenheten med synligt ljus var ett stort framsteg jämfört med tidigare fotolysförsök med UV eller andra halvledarelektroder. Gruppens patent listar också flera andra halvledarmultifunktionskompositioner förutom amorft kisel.

Svenska konsortiet för artificiell fotosyntes, det första i sitt slag, bildades under 1994 som ett samarbete mellan grupper om tre olika universitet, Lund , Uppsala och Stockholm , som för närvarande är verksamma runt Lund och Ångström Laboratories i Uppsala. Konsortiet byggdes med ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt för att fokusera på att lära av naturlig fotosyntes och tillämpa denna kunskap i biomimetiska system.

Forskning på artificiell fotosyntes upplever en högkonjunktur i början av 2000 -talet. Under 2000 offentliggjorde Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) forskare sin avsikt att betona koldioxidavskiljning och dess omvandling till kolväten. År 2003 tillkännagav Brookhaven National Laboratory upptäckten av en viktig mellanliggande del av minskningen av CO 2 till CO (den enklaste möjliga koldioxidreduktionsreaktionen), vilket kan resultera i bättre katalysatorer.

En av nackdelarna med konstgjorda system för klyvning av vattenklyvningar är deras allmänna beroende av knappa, dyra element, såsom rutenium eller rhenium. Under 2008, med finansiering av United States Air Force Office of Scientific Research , försökte MIT -kemist och chef för Solar Revolution Project Daniel G. Nocera och postdoktor Matthew Kanan kringgå detta problem genom att använda en katalysator som innehåller det billigare och rikligare grundämnen kobolt och fosfat. Katalysatorn kunde dela vatten till syre och protoner med hjälp av solljus och kan eventuellt kopplas till en vätgasproducerande katalysator, såsom platina. Även om katalysatorn gick sönder under katalys kunde den själv reparera. Denna experimentella katalysatordesign ansågs vara en stor förbättring av många forskare.

Medan CO är den främsta reduktionsprodukten av CO 2 , är mer komplexa kolföreningar vanligtvis önskvärt. Under 2008 rapporterade Andrew B. Bocarsly direkt omvandling av koldioxid och vatten till metanol med hjälp av solenergi i en mycket effektiv fotokemisk cell.

Medan Nocera och kollegor hade åstadkommit vattenspridning till syre och protoner, är en ljusdriven process för att producera väte önskvärd. Under 2009 rapporterade Leibniz Institute for Catalysis om billiga järnkarbonylkomplex som kan göra just det. Under samma år använde forskare vid University of East Anglia också järnkarbonylföreningar för att uppnå fotoelektrokemisk väteproduktion med 60% effektivitet, denna gång med hjälp av en guldelektrod täckt med lager av indiumfosfid som järnkomplexen var kopplade till. Båda dessa processer använde ett molekylärt tillvägagångssätt, där diskreta nanopartiklar är ansvariga för katalys.

Under 2009 visade F. del Valle och K. Domen effekten av den termiska behandlingen i en sluten atmosfär med hjälp av Cd
1- xZn
xS fotokatalysatorer. CD
1- xZn
xS fast lösning rapporterar hög aktivitet vid väteproduktion från vattenspridning under bestrålning av solljus. En blandad heterogen / molekylärt tillvägagångssätt av forskare vid University of California, Santa Cruz , under 2010, med användning av både kväve- dopade och kadmiumselenid kvantprickar -sensitized titandioxidnanopartiklar och nanotrådar , gav också photoproduced väte.

Konstgjord fotosyntes förblev ett akademiskt område i många år. I början av 2009 rapporterades dock att Mitsubishi Chemical Holdings utvecklade sin egen konstgjorda fotosyntesforskning genom att använda solljus, vatten och koldioxid för att "skapa de byggstenar av kol från vilka hartser, plast och fibrer kan syntetiseras." Detta bekräftades med etableringen av KAITEKI -institutet senare samma år, med koldioxidreduktion genom artificiell fotosyntes som ett av huvudmålen.

Under 2010 inrättade USA: s energidepartement , som ett av sina hubbar för energiinnovation , det gemensamma centret för artificiell fotosyntes . JCAP: s uppdrag är att hitta en kostnadseffektiv metod för att producera bränslen med endast solljus, vatten och koldioxid som insatsvaror. JCAP hanteras av ett team från California Institute of Technology (Caltech), som leds av professor Nathan Lewis och samlar mer än 120 forskare och ingenjörer från Caltech och dess huvudpartner, Lawrence Berkeley National Laboratory . JCAP bygger också på expertis och kapacitet hos viktiga partner från Stanford University , University of California i Berkeley , UCSB , University of California, Irvine och University of California i San Diego och Stanford Linear Accelerator . Dessutom fungerar JCAP som ett centralt nav för andra forskargrupper för solbränslen i USA, inklusive 20 DOE Energy Frontier Research Center. Programmet har en budget på $ 122 miljoner över fem år, med förbehåll för kongressanslag

Under 2010 visade ett team som leddes av professor David Wendell vid University of Cincinnati framgångsrikt fotosyntes i en konstgjord konstruktion bestående av enzymer suspenderade i ett skumhölje.

Under 2011 tillkännagav Daniel Nocera och hans forskargrupp skapandet av det första praktiska konstgjorda bladet. I ett tal på 241: a National Meeting of the American Chemical Society beskrev Nocera en avancerad solcell på storleken av ett pokerkort som kan dela vatten i syre och väte, ungefär tio gånger effektivare än naturlig fotosyntes. Cellen är mestadels gjord av billiga material som är allmänt tillgängliga, fungerar under enkla förhållanden och visar ökad stabilitet jämfört med tidigare katalysatorer: i laboratoriestudier visade författarna att en artificiell lövprototyp kunde fungera kontinuerligt i minst fyrtiofem timmar utan minskning av aktiviteten. I maj 2012 uppgav Sun Catalytix, uppstarten baserad på Noceras forskning, att den inte kommer att skala upp prototypen eftersom enheten ger få besparingar jämfört med andra sätt att göra väte från solljus. (Sun Catalytix slutade senare svänga bort från solbränsle för att utveckla batterier för att lagra energi för elnätet istället, och Lockheed köpte företaget för en ouppklarad mängd 2014) Ledande experter på området har stött ett förslag till ett globalt projekt om konstgjorda Fotosyntes som en kombinerad lösning för energisäkerhet och klimatförändringar. Konferenser om detta tema har hållits på Lord Howe Island under 2011, i Chicheley Hall i Storbritannien 2014 och på Canberra och Lord Howe island under 2016.

Nuvarande forskning

Energimässigt kan naturlig fotosyntes delas in i tre steg:

  • Ljusskördskomplex i bakterier och växter fångar fotoner och överför dem till elektroner och injicerar dem i den fotosyntetiska kedjan.
  • Protonkopplad elektronöverföring längs flera kofaktorer i den fotosyntetiska kedjan, vilket orsakar lokal, rumslig laddningsseparation .
  • Redoxkatalys, som använder de ovannämnda överförda elektronerna för att oxidera vatten till dioxygen och protoner; dessa protoner kan i vissa arter användas för diväteproduktion .
En triadaggregat, med en fotosensibilisator (P) kopplad i tandem till en vattenoxidationskatalysator (D) och en väteutvecklande katalysator (A). Elektroner flyter från D till A när katalys sker.

Med hjälp av biomimetiska metoder försöker artificiell fotosyntes konstruera system som utför samma typ av processer. Helst skulle en triadaggregat kunna oxidera vatten med en katalysator, reducera protoner med en annan och ha en fotosensibiliserande molekyl för att driva hela systemet. En av de enklaste konstruktionerna är där fotosensibiliseraren är länkad i tandem mellan en vattenoxidationskatalysator och en väteutvecklande katalysator:

  • Fotokänsligheten överför elektroner till vätekatalysatorn när den träffas av ljus och oxideras i processen.
  • Detta driver den vattensplittande katalysatorn för att donera elektroner till fotosensibiliseraren. I en triadenhet kallas en sådan katalysator ofta som en donator. Den oxiderade givaren kan utföra vattenoxidation.

Tillståndet för triaden med en katalysator oxiderad i ena änden och den andra reducerad i den andra änden av triaden kallas en laddningsseparation och är en drivkraft för ytterligare elektronöverföring och följaktligen katalys. De olika komponenterna kan sättas ihop på olika sätt, såsom supramolekylära komplex, uppdelade celler eller linjärt, kovalent länkade molekyler.

Forskning om att hitta katalysatorer som kan omvandla vatten, koldioxid och solljus till kolhydrater eller väte är ett aktivt, aktivt fält. Genom att studera det naturliga syreutvecklande komplexet (OEC) har forskare utvecklat katalysatorer som "blå dimer" för att efterlikna dess funktion. Fotoelektrokemiska celler som minskar koldioxid till kolmonoxid (CO), myrsyra (HCOOH) och metanol (CH 3 OH) är under utveckling. Dessa katalysatorer är emellertid fortfarande mycket ineffektiva.

Vättekatalysatorer

Väte är det enklaste solbränslet att syntetisera, eftersom det bara innebär överföring av två elektroner till två protoner. Det måste dock göras stegvis med bildning av en mellanliggande hydridanjon :

2 e - + 2 H + ⇌ H + + H - ⇌ H 2

De proton-till-väteomvandlande katalysatorer som finns i naturen är hydrogenaser . Dessa är enzymer som antingen kan reducera protoner till molekylärt väte eller oxidera väte till protoner och elektroner. Spektroskopiska och kristallografiska studier som sträcker sig över flera decennier har resulterat i en god förståelse för både strukturen och mekanismen för hydrogenaskatalys. Med hjälp av denna information har flera molekyler som efterliknar strukturen för det aktiva stället för både nickel-järn och järn-järnhydrogenaser syntetiserats. Andra katalysatorer är inte strukturella efterlikningar av hydrogenas utan snarare funktionella. Syntetiserade katalysatorer inkluderar strukturella H-klustermodeller, en dirhodium-fotokatalysator och koboltkatalysatorer .

Vattenoxiderande katalysatorer

Vattenoxidation är en mer komplex kemisk reaktion än protonreduktion. I naturen utför det syreutvecklande komplexet denna reaktion genom att ackumulera reducerande ekvivalenter (elektroner) i ett mangan-kalciumkluster i fotosystem II (PS II), sedan leverera dem till vattenmolekyler, med den resulterande produktionen av molekylärt syre och protoner:

2 H 2 O → O 2 + 4 H + + 4e -

Utan en katalysator (naturlig eller artificiell) är denna reaktion mycket endotermisk och kräver höga temperaturer (minst 2500 K).

Den exakta strukturen för det syreutvecklande komplexet har varit svårt att bestämma experimentellt. Från och med 2011 var den mest detaljerade modellen från en 1,9 Å upplösning kristallstruktur av fotosystem II. Komplexet är ett kluster som innehåller fyra mangan- och ett kalciumjoner , men den exakta platsen och mekanismen för vattenoxidation i klustret är okänd. Ändå har bioinspirerade mangan- och mangankalciumkomplex syntetiserats, såsom [Mn 4 O 4 ] kluster av kubantyp , vissa med katalytisk aktivitet.

Vissa ruteniumkomplex , såsom dinukleära µ-oxo-bryggade "blå dimer" (den första i sitt slag som ska syntetiseras), kan ljusdriven vattenoxidation tack vare att de kan bilda högvalenstillstånd . I detta fall fungerar ruteniumkomplexet både som fotosensibiliseringsmedel och katalysator. Dessa komplex och andra molekylära katalysatorer lockar fortfarande till sig forskare inom området, med olika fördelar som klar struktur, aktiv plats och mekanism som är lätt att studera. En av de största utmaningarna att övervinna är deras kortsiktiga stabilitet och deras effektiva heterogenisering för applikationer i artificiella fotosyntesenheter.

Många metalloxider har visat sig ha vatten oxidation katalytisk aktivitet, inklusive rutenium (IV) oxid (RuO 2 ), iridium (IV) oxid (Iro 2 ), koboltoxider (inkluderande nickel - dopad Co 3 O 4 ), manganoxid ( inklusive skiktat MnO 2 (birnessite), Mn 2 O 3 ), och en blandning av Mn 2 O 3 med CaMn 2 O 4 . Oxider är lättare att få fram än molekylära katalysatorer, särskilt de från relativt rikliga övergångsmetaller (kobolt och mangan), men lider av låg omsättningsfrekvens och långsamma elektronöverföringsegenskaper , och deras verkningsmekanism är svår att dechiffrera och därför justera.

Nyligen har Metal-Organic Framework (MOF) -baserade material visat sig vara en mycket lovande kandidat för vattenoxidation med övergångsmetaller på första raden. Systemets stabilitet och justerbarhet beräknas vara mycket fördelaktigt för framtida utveckling.

Fotokänsliggörare

Struktur för [Ru (bipy) 3 ] 2+ , en allmänt använd fotosensibilisator.

Naturen använder pigment , främst klorofyller , för att absorbera en bred del av det synliga spektrumet. Konstgjorda system kan använda antingen en typ av pigment med ett brett absorptionsintervall eller kombinera flera pigment för samma ändamål.

Ruteniumkomplex polypyridine komplex , i synnerhet tris (bipyridin) rutenium (II) och dess derivat, har i stor utsträckning använts i väte photoproduction grund av deras effektiv absorption av synligt ljus och långlivat åtföljande metall-mot-ligand-laddningsöverförings exciterat tillstånd , vilket gör det komplex starka reduktionsmedel. Andra ädelmetall -innehållande komplex som användes inkluderar de med platina , rodium och iridium .

Metallfria organiska komplex har också framgångsrikt använts som fotosensibilisatorer. Exempel inkluderar eosin Y och rosbengal . Pyrrolringar såsom porfyriner har också använts för beläggning av nanomaterial eller halvledare för både homogen och heterogen katalys.

Som en del av de nuvarande forskningsinsatserna studeras artificiella fotoniska antennsystem för att bestämma effektiva och hållbara sätt att samla ljus för artificiell fotosyntes. Gion Calzaferri (2009) beskriver en sådan antenn som använder zeolit ​​L som värd för organiska färgämnen, för att efterlikna växtens ljusuppsamlingssystem. Antennen tillverkas genom att infoga färgmolekyler i kanalerna för zeolit ​​L. Införingsprocessen, som äger rum under vakuum och vid höga temperaturförhållanden, möjliggörs av den kooperativa vibrationsrörelsen mellan zeolitramen och färgämnesmolekylerna. Det resulterande materialet kan vara anslutet till en extern enhet via en stoppkran -mellanprodukt.

Koldioxidreduceringskatalysatorer

I naturen, kol fixering sker genom gröna växter som använder enzymet RuBisCO som en del av Calvin cykeln . RuBisCO är en ganska långsam katalysator jämfört med de allra flesta andra enzymer, som bara innehåller några få koldioxidmolekyler i ribulosa-1,5-bisfosfat per minut, men gör det vid atmosfärstryck och under milda biologiska förhållanden. Den resulterande produkten reduceras ytterligare och används så småningom vid syntes av glukos , vilket i sin tur är en föregångare till mer komplexa kolhydrater , såsom cellulosa och stärkelse . Processen förbrukar energi i form av ATP och NADPH .

Artificiell CO 2 reduktion för bränsleproduktion mål mestadels på att producera reducerade kolföreningar från atmosfärisk CO 2 . Vissa övergångsmetall polyphosphine komplex har utvecklats för detta ändamål; de kräver emellertid vanligtvis tidigare koncentration av CO 2 före användning, och bärare (molekyler som skulle fixera CO 2 ) som både är stabila under aeroba förhållanden och kan koncentrera CO 2 vid atmosfäriska koncentrationer har ännu inte utvecklats. Den enklaste produkten från CO 2 -reduktion är kolmonoxid (CO), men för bränsleutveckling behövs ytterligare minskning, och ett viktigt steg som också behöver ytterligare utveckling är överföring av hydridanjoner till CO.

Fotobiologisk produktion av bränslen

Vissa fotoautotrofa mikroorganismer kan under vissa förhållanden producera väte. Kvävefixerande mikroorganismer, såsom filamentösa cyanobakterier , besitter enzymet nitrogenas , som ansvarar för omvandling av atmosfäriskt N 2 till ammoniak ; molekylärt väte är en biprodukt av denna reaktion och frigörs ofta inte av mikroorganismen utan tas upp av ett väteoxiderande (upptag) hydrogenas. Ett sätt att tvinga dessa organismer att producera väte är sedan att förinta upptagningshydrogenasaktivitet. Detta har gjorts på en stam av Nostoc punctiforme : en av strukturgenerna för NiFe -upptaget hydrogenas inaktiverades genom insertionsmutagenes och mutantstammen visade väteutveckling under belysning.

Många av dessa fotoautotrofer har också dubbelriktade hydrogenaser, som kan producera väte under vissa förhållanden. Andra energikrävande metaboliska vägar kan emellertid konkurrera med de nödvändiga elektronerna för protonreduktion, vilket minskar effektiviteten i den totala processen; dessa hydrogenaser är också mycket känsliga för syre.

Flera kolbaserade biobränslen har också producerats med hjälp av cyanobakterier, såsom 1-butanol.

Syntetiska biologitekniker förutses vara användbara för detta ämne. Mikrobiologisk och enzymatisk teknik har potential att förbättra enzymeffektivitet och robusthet, samt konstruera nya biobränsleproducerande metaboliska vägar i fotoautotrofer som tidigare saknar dem, eller förbättra de befintliga. Ett annat ämne som utvecklas är optimering av fotobioreaktorer för kommersiell tillämpning.

Anställd forskningsteknik

Forskning inom artificiell fotosyntes är nödvändigtvis ett tvärvetenskapligt ämne som kräver en mängd olika expertis. Några tekniker som används vid framställning och undersökning av katalysatorer och solceller inkluderar:

Fördelar, nackdelar och effektivitet

Fördelarna med solbränsleproduktion genom artificiell fotosyntes inkluderar:

  • Solenergin kan omedelbart konverteras och lagras. I solceller omvandlas solljus till elektricitet och omvandlas sedan igen till kemisk energi för lagring, med viss nödvändig energiförlust i samband med den andra omvandlingen.
  • Biprodukterna av dessa reaktioner är miljövänliga. Artificiellt fotosyntetiserat bränsle skulle vara en koldioxidneutral energikälla som kan användas för transport eller hem.

Nackdelar inkluderar:

  • Material som används för artificiell fotosyntes korroderar ofta i vatten, så de kan vara mindre stabila än solceller under lång tid. De flesta vätekatalysatorer är mycket känsliga för syre, inaktiveras eller bryts ned i dess närvaro; också kan fotoskador uppstå över tid.
  • Kostnaden är (ännu) inte tillräckligt fördelaktig för att konkurrera med fossila bränslen som en kommersiellt livskraftig energikälla.

Ett problem som vanligtvis tas upp vid katalysatorutformning är effektivitet, särskilt hur mycket av det infallande ljuset kan användas i ett system i praktiken. Detta är jämförbart med fotosyntetisk effektivitet , där ljus-till-kemisk-energi-omvandling mäts. Fotosyntetiska organismer kan samla cirka 50% av infallande solstrålning, men den teoretiska gränsen för fotosyntetisk effektivitet är 4,6 respektive 6,0% för C3 respektive C4 växter. I verkligheten är effektiviteten av fotosyntesen mycket lägre och är vanligtvis under 1%, med några undantag som sockerrör i tropiskt klimat. Däremot är den högsta rapporterade effektiviteten för prototyper för artificiell fotosyntes 22,4%. Växter är dock effektiva vid användning av CO 2 vid atmosfäriska koncentrationer, något som konstgjorda katalysatorer fortfarande inte kan utföra.

Se även

Referenser

externa länkar