Temiz Gaz Üreten Yapay Yaprak Mekanizması

Bilim insanları fosil yakıtların yerine kullanılabilecek yenilenebilir ve temiz enerji kaynakları arayışına devam ediyor. Bu enerji kaynaklarından biri de güneş enerjisi kullanılarak üretilen yapay kimyasal yakıtlar.

Bitkiler güneş enerjisini fotosentez süreciyle kimyasal enerjiye dönüştürür. Cambridge Üniversitesinden bir grup araştırmacı güneş enerjisini kullanarak karbondioksit ve sudan sentez gazı üreten yapay bir yaprak mekanizması geliştirdi. Araştırmanın sonuçları Nature Materials’ta yayımlandı.

Hidrojen (H₂) ve karbonmonoksit (CO) gazlarından elde edilen sentez gazı farklı alanlarda (örneğin sıvı yakıt, tıbbi ürün, plastik ve gübre üretiminde) kullanılıyor. Sentez gazı çoğunlukla fosil yakıtlar yakılarak elde edildiği için bu süreçte atmosfere karbondioksit gazı salınıyor. Fakat araştırmacıların geliştirdiği yeni yöntemde atmosfere karbondioksit salınması engelleniyor.

Geliştirilen yapay yaprak mekanizmasında bitkiler tarafından doğal olarak gerçekleştirilen fotosentez olayından esinlenilmiş. Fotosentez sürecinde karbondioksit ve su güneş ışığı etkisiyle oksijen gazına ve karbonhidrat bileşiklerine dönüştürülür. Güneş ışığı yapraklar tarafından soğurulurken su elektron vererek yani yükseltgenerek oksijen molekülüne ve artı yüklü hidrojen iyonlarına dönüşür. Karbondioksit ise elektron alarak yani indirgenerek karbonhidrat bileşiklerine dönüşür.

University of Cambridge - Virgil Andrei

Geliştirilen yapay yaprak mekanizmasında güneş ışığını soğurabilen iki cihaz bulunuyor. Araştırmacılar bu cihazları kobalt elementinden yapılmış bir malzemeyle kaplayarak tepkimelerin daha hızlı ve verimli gerçekleşmesini sağladı. Güneş ışığını soğuran cihazlar içinde sıvılaştırılmış karbondioksit bulunan suya daldırıldıklarında bu cihazlardan biri suyun yükseltgenerek oksijen molekülüne ve artı yüklü hidrojen iyonuna dönüşmesini sağlarken elektronlar açığa çıkıyor. Diğer cihaz ise oluşan artı yüklü hidrojen iyonlarını kullanarak karbondioksitin indirgenerek karbonmonoksit ve hidrojen molekülüne dönüşmesini sağlıyor. Elde edilen hidrojen ve karbonmonoksit ise sentez gazı üretiminde kullanılıyor.

Sulu çözeltide bulunan sıvı karbondioksit güneş enerjisiyle karbonmonoksit ve diğer hidrokarbonlara (karbon ve hidrojenden oluşan bileşiklere) dönüşür.

Daha önce de fotosentez yapabilen yapay yapraklar geliştirilmişti. Fakat bu araştırmada geliştirilen güneş ışığını soğurabilen cihazlar perovskitten üretilmiş. Bu madde karbondioksitin karbonmonoksite çevrilmesi için gerekli enerjiyi sağlama konusunda önceki araştırmalarda kullanılan silisyum gibi malzemelere kıyasla daha başarılı. Ayrıca tepkimelerin daha hızlı gerçekleşmesini sağlayan katalizör platin veya gümüş yerine kobalt kullanılarak üretildiği için çok daha ekonomik. Üstelik geliştirilen yapay yapraklar güneş enerjisini kullanmasına rağmen bulutlu ya da yağmurlu havalarda da verimli bir şekilde çalışabiliyor.

Araştırmacılar bu yöntemle üretilen sentetik gazın sıvı yakıta dönüştürülerek özellikle taşımacılık, gemicilik ve havacılıktaki sıvı yakıt ihtiyacını sürdürülebilir şekilde karşılayabileceğini düşünüyor.

Kaynaklar:

• Andrei, V. ve ark., “Bias-free solar syngas production by integrating a molecular cobalt catalyst with perovskite-BiVO4 tandems”, Nature Materials, https://doi.org/10.17863/CAM.44164.
• https://www.rsc.org/Education/Teachers/Resources/cfb/Photosynthesis.htm
• https://www.cam.ac.uk/research/news/artificial-leaf-successfully-produces-clean-gas