Föreställ dig att vi kunde göra vad gröna växter kan göra:fotosyntes. Då skulle vi kunna tillfredsställa vårt enorma energibehov med djupgrönt väte och klimatneutral biodiesel. Forskare har arbetat med detta i decennier. Kemisten Chengyu Liu kommer att doktorera den 8 juni för ännu ett steg som för artificiell fotosyntes närmare. Han förväntar sig att det ska vara vanligt om femtio år.

Faktum är att vi redan kan uppnå fotosyntes som gröna växter kan. Solenergi omvandlar CO₂ och vatten till syre och kemiska föreningar som vi kan använda som bränsle. Väte till exempel, men även kolföreningar som de som finns i bensin. Men kostnaderna är högre än värdet på bränslet det ger. Om det förändras, och vi kan skala upp denna artificiella fotosyntes gigantiskt, då kommer alla våra energiproblem att lösas. Sedan CO₂ utsläpp från energiproduktion blir negativa.

Lovande, men vi är inte där än

Även om det låter lovande är vi inte där än. Chengyu Liu, en av de hängivna forskarna som arbetar med artificiell fotosyntes:"Nu när detta ämne är ett så hett ämne över hela världen, tror jag att den första verkliga tillämpningen av detta kommer att vara ett faktum inom tjugo år." Men det är inte allt, fortsätter han:"Efter introduktionen av en ny teknik som denna tar det alltid decennier innan det blir allmän praxis. Det var likadant efter uppfinningen av ångmaskinen på artonhundratalet. Jag misstänker att det kommer att bli det. ytterligare trettio till femtio år innan den används industriellt i stor skala."

Riktigt grönt väte

Vi har redan bilar som kör på vätgas, med bara vatten som avgas. Men det krävs mycket energi för att göra det vätet. Det "gröna väte" vi producerar nuförtiden betyder bara att vi får energin att producera det från en väderkvarn eller solpanel, och inte från kol, gas eller olja. Med fotosyntes kommer den energin direkt från solen, utan att en solpanel behöver leverera ström först.

Inga falska träd, men stora ytor behövs

Hur skulle vår värld se ut när artificiell fotosyntes skulle vara standard? Skulle vi ha konstgjorda träd med konstgjorda löv överallt för att tillgodose vårt energibehov? "Du behöver verkligen stora ytor för att fånga ljuset, CO₂ gas och vatten (ånga). Det kan till exempel göras i form av solpaneler på tak. Eller så kan vi placera fotosynteslådor i öknen, arbeta på dagen och samla vattenånga på kvällen. Det måste finnas mycket fler olika sätt att använda den här typen av upplägg. När vi väl har löst prisproblemet med själva reaktionerna kommer nästa steg att vara optimering av enheter för storskaliga applikationer."

Liu föreställer sig det redan helt:"Det skulle vara fantastiskt om vi kunde använda havsvatten, för det är inte ont om. Vi skulle då använda en enhet som producerar energi mycket billigt med fritt solljus, fritt havsvatten och gratis CO₂ . Fossil energi skulle vara alldeles för dyr i jämförelse."

Två komponenter:Vattenklyvning och CO₂ minskning

Artificiell fotosyntes består liksom den naturliga varianten i gröna växter av två delar. Den ena är vatten som delar sig i väte och syre. Den andra är koldioxidreduktion till energirika kolväten. Målet är att uppnå dessa två delar i ett system som å ena sidan minskar CO₂ innehållet i luften, och å andra sidan producerar bränslen och syre.

Den idealiska katalysatorn:effektiv, billig och lättillgänglig

I sin Ph.D. forskning fokuserade Liu på den första delen av vattenklyvningen, som producerar väte och syre. En reaktionsaccelerator eller katalysator kan hjälpa till att göra den reaktionen mer energieffektiv. Liu:"Jag har bland annat utvecklat strategier för att designa mer effektiva katalysatorer. Den idealiska katalysatorn är inte bara effektiv, utan också billig och lättillgänglig. Det bör till exempel inte vara en sällsynt metall som du måste få någonstans ifrån med mycket miljöskador."

Ett av de bästa ögonblicken

Att hitta den ideala katalysatorn är en av de största utmaningarna inom forskningsområdet, säger Liu. "Ett av de bästa ögonblicken i min forskning var när jag hittade en ny strategi för att designa en katalysator för väteproduktion, precis i en pH-neutral miljö."

Lius forskning gav nya designregler och idéer om hur man uppnår effektiv artificiell fotosyntes. "Resultaten ger grundläggande förståelse såväl som en praktisk strategi för att hitta nya katalysatorer för vattenoxidation. Jag hoppas kunna fortsätta min forskning. Så småningom skulle jag vilja bli en av forskarna som uppnår ett komplett system av artificiell fotosyntes."

Promotor Bonnet ser Liu vara där när forskare gör ett komplett system av artificiell fotosyntes realistiskt. "Min känsla är att om människor hittar ett sätt att realisera effektiv artificiell fotosyntes en dag, eller ett sätt att göra ett artificiellt löv, kan Chengyu vara en av dem. Han har passionen, förståelsen, den utmärkta vetenskapliga attityden och han har fått utmärkt träning." + Utforska vidare

Ökad effektivitet i artificiell fotosyntes