*** Yeni çalışmada açıklanan deneysel fotoelektroskopik hücre… Bu tür teknolojiler, ışık toplayıcı yarı iletkenleri ve temiz yakıt üreten kimyasal reaksiyonlar verebilen katalitik malzemeleri birleştirir. / Arizona Eyalet Üniversitesi Biyodesign Enstitüsü / phys
İnsan ihtiyaçlarını karşılamak için yeterli enerjiyi sağlamak, toplumun şimdiye kadar karşılaştığı en büyük zorluklardan biridir. Daha önce güvenilir olan kaynaklar (petrol, gaz ve kömür) hava kalitesini düşürüyor, kara ve okyanusu mahvediyor ve CO2 ve diğer sera gazlarının salınmasıyla küresel iklimin kırılgan dengesini değiştiriyor. Bu arada, dünyanın hızlı bir şekilde sanayileşen nüfusunun 2050 yılına kadar 10 milyara ulaşacağı tahmin ediliyor.Bu yüzden temiz alternatifler acil bir ihtiyaç meselesidir.
ASU Biyodesign Uygulamalı Yapısal Keşif Merkezi’ndeki araştırmacılar; zorlu küresel talebin karşılanmasına yardımcı olmak için temiz ve sürdürülebilir enerjinin önünü açabilecek yeni teknolojileri araştırıyorlar.
Amerikan Kimya Derneği Dergisi’nde (JACS) çıkan yeni araştırmada, araştırmacı yazarlar; ışık toplayan yarı iletkenler ve temiz yakıt üreten kimyasal reaksiyonlara girebilen katalitik malzemeleri geliştirdiler.
Yeni çalışma, bu tür cihazların ana bileşenlerinin ince etkileşimini araştırıyor ve altta yatan yakıt oluşturucu reaksiyonları anlamak için teorik bir çerçeve çiziyor. Sonuçlar; bu tür hibrit teknolojilerin verimliliğini ve performansını geliştirmeye yönelik stratejileri önermekte, bu da ticari uygulanabilirliğe bir adım daha yaklaşmaktadır.
Hidrojen ve bu karbonlarla azaltılmış karbon formlarının üretilmesi bir gün, fosil yakıt kaynaklarını; yakıtlar, plastikler ve inşaat malzemeleri dahil olmak üzere çok çeşitli azaltılmış karbon ürünleri için destekleyebilir.
ASU Moleküler Bilimler Okulu Yardımcı Doçent Gary Moore: “Bu özel çalışmada, ışık yakalama ve dönüştürme teknolojilerini kimyasal tabanlı enerji depolama stratejileri ile birleştiren sistemler geliştiriyoruz.”
Güneş ışığından doğrudan elektrik üretmek yerine; bu yeni teknoloji türü güneş enerjisini kimyasal bağlarda depolayan yakıt üretebilecek kimyasal reaksiyonları tahrik etmek için güneş enerjisi kullanır.
Güneşin altında yeni bir şey…
Sürdürülebilir, karbon nötr enerji üretimi için en cazip kaynaklardan biri hem eski hem de bol miktarda Güneş Işığı’dır… Nitekim, güneş enerjisi teknolojilerinin benimsenmesi son yıllarda önemli bir ivme kazanmıştır.
Fotovoltaik (PV) cihazları veya güneş pilleri; güneş ışığını toplar ve enerjiyi doğrudan elektriğe dönüştürür. İyileştirilmiş malzemeler ve düşük maliyetler; fotovoltaikleri, özellikle güneşi bol alan ülkelerde, binlerce evi güçlendirme kapasitesine sahip birden fazla dönüm alanını kapsayan geniş güneş panelleri ile cazip bir enerji seçeneği haline getirmiştir.
Moore: “Ama sadece fotovoltaik kullanarak güneş enerjisine erişim yetmiyor.”
Güneş ışığı ve rüzgar enerjisi gibi birçok yenilenebilir enerji her zaman mevcut değildir; bu nedenle, aralıklı kaynakların depolanması, küresel insan enerji taleplerini büyük ölçüde karşılamak açısından gelecekteki teknolojilerin önemli bir parçasıdır.
Güneş’ten gelen…
Nature’ın daha etkileyici numaralarından biri de; bitkiler ve diğer fotosentetik organizmalar tarafından milyarlarca yıl önce uygulanan bir işlem olan, enerji bakımından zengin kimyasal maddeler üretmek için güneş ışığının kullanılmasını içerir.
Moore: “Bu süreçte, ışık emiliyor ve enerji, sonunda yediğimiz yiyecekleri üreten bir dizi karmaşık biyokimyasal dönüşümün ve uzun jeolojik zaman ölçeklerinde modern toplumumuzu yöneten yakıtların yönlendirilmesinde kullanılıyor.”
Bu çalışmada, grup, çeşitli yapay cihazlar aracılığıyla yakıt üretmek için kullanılan kimyasal reaksiyonların etkinliğini düzenleyen temel değişkenleri analiz etti.
Wadsworth: “Bu çalışmada, yarı iletken yüzeyindeki ışık emilimi, yarı iletken içindeki göçü şarj etme, katalizör katmanımıza yük transferi ve daha sonra kimyasal katalizleme aşaması arasındaki etkileşimi tanımlayan bir kinetik model geliştirdik.”
Geliştirilen model; enzimatik reaksiyon hızları ile reaksiyonun gerçekleştiği ortam (veya substrat) arasındaki ilişkiyi tanımlayan Michaelis-Menten Kinetiği* olarak bilinen enzim davranışını düzenleyen benzer bir çerçeveye dayanmaktadır. Burada, bu model; hafif biçimli yarı iletkenleri ve yakıt oluşumu için katalitik malzemeleri birleştiren teknolojik cihazlara uygulanır.
Wadsworth: “Bu hibrit malzemelerin yakıt oluşturma faaliyetlerini ışık yoğunluğunun bir fonksiyonu ve aynı zamanda potansiyel olarak tanımlıyoruz.”
Sistemin dinamiklerini modellerken, ekip; şaşırtıcı bir keşif yaptı.
Moore: “Bu özel sistemde, katalizörün kimyasal reaksiyonu ne kadar hızlı sürdüğü ile sınırlı değiliz. Elektronları bu katalizöre verme ve aktive etme yeteneği ile sınırlandırıldık. Bu, yüzeye çarpan ışık yoğunluğuyla ilgilidir. Brian, Anna, Diana ve Edgar deneylerinde ışık yoğunluğunun arttırılmasının hızı artırdığını gösterdiler.
Keşif, bu tür cihazların gelecekteki tasarımlarını, verimliliklerini en üst düzeye çıkarmak için gözle görüyor. Sadece hibrit malzemenin yüzeyine daha fazla katalizör ilave etmek daha fazla yakıt üretimine yol açmaz. Temel olarak katalizör seçimi ve bunun hakkında daha fazla düşünmemize neden olan destekleyici yarı iletkenlerin ışık emici özelliklerini düşünmemiz gerekir. Katalizör, ışık emici bileşen ile arayüzlenir.”
Yeni araştırma, sürdürülebilir bir geleceğe giden uzun yol üzerindeki bir adımdır. Ekip; bulgularının önemli olduğunu, çünkü ışık emici materyalleri ve katalizörleri içeren çok çeşitli kimyasal dönüşümlerle ilgili olduklarını belirtti.
*Biyokimyada Michaelis–Menten kinetiği; enzim kinetiğinin en basit ve en iyi modellerinden biridir. Alman biyokimyacı Leonor Michaelis ve Kanadalı hekim Maud Menten’e atfen adlandırılmıştır.
