WikiDer > Бионический лист - Википедия

Bionic Leaf - Wikipedia

В Бионический лист это биомиметик система, которая собирает солнечная энергия через фотоэлектрические элементы которые можно хранить или использовать в различных функциях. Бионические листья могут состоять как из синтетических (металлы, керамика, полимерыи др.) и органических материалов (бактерии) или изготовлены исключительно из синтетических материалов.[1][2] Bionic Leaf имеет потенциал для внедрения в сообществах, таких как урбанизированные районы, для обеспечения чистого воздуха, а также обеспечения необходимой чистой энергии.[3]

История

В 2009 г. Массачусетский технологический институт, Даниэль Ночералаборатория впервые разработала «искусственный лист», устройство, сделанное из кремния и анод электрокатализатор для окисление воды, способной расщеплять воду на водород и кислород.[4] В 2012 году Ночера пришла в Гарвард и в Silver Lab.[5] из Гарвардская медицинская школа присоединился к команде Ночера. Вместе команды расширили существующую технологию и создали Bionic Leaf. Он объединил концепцию искусственного листа с генно-инженерными бактериями, которые питаются водородом и конвертируют CO2 в воздухе в спиртовое топливо или химикаты.[6]

Первая версия команд Bionic Leaf была создана в 2015 году, но использованный катализатор был вреден для бактерий.[7] В 2016 году для решения этой проблемы был разработан новый катализатор, названный «Bionic Leaf 2.0». [8][9] Другие варианты искусственных листьев были разработаны Калифорнийский технологический институт и Объединенный центр искусственного фотосинтеза, то Университет Ватерлоо, а Кембриджский университет.[10][11][12]

Механика

Фотосинтез

Естественный фотосинтез против бионического листа в его простейшей форме.

В естественном фотосинтезе фотосинтезирующие организмы производить богатые энергией органические молекулы из воды и углекислого газа с помощью солнечного излучения.[9] Следовательно, процесс фотосинтеза удаляет углекислый газ, а парниковый газ, с воздуха. Искусственный фотосинтез, выполняемый бионическим листом, примерно в 10 раз эффективнее естественного фотосинтеза. Используя катализатор, Bionic Leaf может удалить избыток углекислого газа из воздуха и преобразовать его в полезное спиртовое топливо, например изопропанол и изобутанол.[13]

Эффективность искусственного фотосинтеза Bionic Leaf является результатом обхода препятствий в естественном фотосинтезе в силу его искусственности. В естественных системах существует множество узких мест преобразования энергии, которые ограничивают общую эффективность фотосинтеза. В результате КПД большинства установок не превышает 1% и даже микроводоросли вырос в биореакторы не превышают 3%. Существующие искусственные фотосинтетические циклы преобразования солнечной энергии в топливо могут превышать естественную эффективность, но не могут завершить цикл за счет фиксации углерода. Когда катализаторы Бионического Листа соединяются с бактерией Ralstonia eutropha, в результате получается гибридная система, способная фиксировать углекислый газ. Эта система может хранить более половины потребляемой энергии в виде продуктов фиксации углекислого газа. В целом, гибридный дизайн позволяет осуществлять искусственный фотосинтез с эффективностью, не уступающей естественному фотосинтезу.[9]

Системы искусственного фотосинтеза

Бионический лист - это искусственный лист, соединяющий тройной переход Si пластина с аморфным кремнием фотоэлектрический с катализаторами, выделяющими водород и кислород, сделанными из тройного сплав, никель-молибден-цинк (NiMoZn) и кобальт-фосфатный кластер (Co-OEC). Co-OEC может работать в природной воде при комнатной температуре. Соответственно, Bionic Leaf можно погрузить в воду, и когда он будет подвергаться воздействию солнечного света, он может производить прямое преобразование солнечной энергии через расщепление воды.

Бионический лист, благодаря Co-OEC, также проявляет свойства самосборки и самовосстановления. Co-OEC самособирается при окислении земляной металл ion от 2+ до 3+. Он также самовосстанавливается при приложении потенциала, когда кластер восстанавливается из-за равновесия между водным кобальтом и фосфатом.[1]

Bionic Leaf можно использовать в искусственных фотосинтетических системах. Одной из таких систем является гибридная система расщепления воды и биосинтеза, которая может работать при низких управляющих напряжениях. В катализатор система Bionic Leaf используется совместно с бактерией Ralstonia eutropha. Бактерия растет в контакте с катализаторами, а затем потребляет образовавшийся H2 от реакции расщепления воды. После употребления бактерия синтезирует биомассу и топливо или химические продукты из низкого CO.2 концентрация в присутствии O2. Использование бактерии требует биосовместимой каталитической системы, которая не токсична для бактерий и снижает перенапряжение для расщепления воды. Использованный оригинальный катализатор, сплав никель-молибден-цинк (NiMoZn), отравил микробы, разрушив ДНК бактерий.[14] Соответственно, в этой гибридной системе используется кобальто-фосфорный (Co-P) сплав. катод что устойчиво к активные формы кислорода. В свою очередь, это не оставляет лишнего металла и не образует кислородные радикалы, оставляя микробы и ДНК невредимыми.[7] Этот сплав запускает реакцию выделения водорода, в то время как фосфат кобальта (CoPя) анод запускает реакцию выделения кислорода.[9] Этот новый катализатор может работать до 16 дней одновременно по сравнению со сплавом никель-молибден-цинк (NiMoZn).[7][14]

Приложения

сельское хозяйство

Первые результаты от Дэн Ночера, научный сотрудник Гарвардский университет, дал представление о том, как его недавно созданный бионический лист можно использовать для производства удобрений.[15] Этот новый бионический лист использует фотоэлектрические элементы в сочетании с Xanthobacter autotrophicus бактерии для создания пластика, называемого полигидроксибутират (PHB).[16] PHB снабжает энергией естественные ферменты бактерий, которые затем превращают газообразный азот из воздуха в аммиак. Бионический лист может выполнять этот процесс, используя возобновляемую электроэнергию, обеспечивая устойчивое производство аммиака и биоудобрения.[17] В настоящее время основное промышленное производство аммиак выполняется так называемым Процесс Габера-Боша, который использует природный газ в качестве основного источника энергии. [18] Бактерии в бионическом листе также помогают удалить углекислый газ из окружающей среды. Бионический лист все равно должен пройти исследование воздействия на окружающую среду, чтобы определить, безопасно ли выпускать эти бактерии в дикую природу. Хотя бионический лист в настоящее время работает с эффективностью всего 25%, исследования и разработки все еще связаны с надеждами на улучшение процесса.[19] X. autotrophicus клетки действуют как живые биоудобрения из-за их способности напрямую способствовать росту растений при внесении в органический материал. Исследование было проведено путем сравнения растений, обработанных без удобрений, с растениями, обработанными увеличивающимся количеством X. autotrophicus культура. Масса и общая масса корней обработанных растений увеличились примерно на 130% и 100% соответственно по сравнению с необработанной контрольной группой.[17]

Атмосфера

Двуокись углерода, парниковый газ, улавливает тепло в атмосфере, бионический лист потенциально может быть использован для уменьшения содержания углекислого газа в атмосфере. Пока бионический лист работает, имитирует фотосинтез, превращая углекислый газ в воздухе в топливо.[20] Бионический лист может удалить 180 граммов углекислого газа из 230 000 литров воздуха на каждый киловатт-час потребляемой энергии.[21][22] Хотя удаление большого количества диоксида углерода из атмосферы пока невозможно в больших масштабах, эта технология полезна в областях, где производится диоксид углерода, например, на электростанциях. Это также может быть реализовано в городских районах, обеспечивая чистый воздух в этом районе. Эта технология также может использоваться в меньших масштабах, помогая общинам производить, использовать и потреблять необходимую им энергию.[23][24]

Бионические фасады

Пример системы естественного вертикального озеленения (зеленая стена) на внешней стене здания.

Бионические листья рассматривались как альтернатива вертикальные системы озеленения (ВГС), также известные как зеленые фасады. Подобно VGS, бионические фасады могут быть реализованы в зданиях для снижения потребления энергии от охлаждения, поглощения солнечного излучения и уменьшения CO2 выбросы.[2] В отличие от своего естественного аналога, бионические фасады требуют менее затратного обслуживания (орошение, оплодотворение, борьба с вредителями) и потенциально может быть адаптирован к внешним условиям, например, смене времен года.[25] Общая структура бионических пластин, используемых в этих экспериментах, может быть охарактеризована как фотоэлектрический (PV) элемент или пластинчатый резистивный нагреватель с керамической опорой. испарительный матрица. [2][25] Эксперимент, сравнивающий производительность одной фотоэлектрической панели с бионической листовой панелью, показал увеличение производства электроэнергии до 6,6% из-за испарительного охлаждения матрицы. Бионический фасад также оказал такое же влияние на снижение температуры окружающей среды на границе здания и воздуха, как зеленый фасад, засаженный плющом. Эффект охлаждения в сочетании с выработкой электроэнергии бионическим фасадом показал CO2 сокращение выбросов, которое в 25 раз превышает среднесуточное значение CO2 потребление стены плюща.[25]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Ночера, Дэниел Г. (15 мая 2012 г.). «Искусственный лист». Отчеты о химических исследованиях. 45 (5): 767–776. Дои:10.1021 / ar2003013. ISSN 0001-4842. PMID 22475039.
  2. ^ а б c Шукле, Томаж; Аркар, Цирил; Медведь, Сашо (01.11.2015). «Гидротермическое исследование бионического листа - основного структурного элемента бионического фасада, вдохновленного вертикальной зеленью». Энергетические процедуры. 6-я Международная конференция по строительной физике, IBPC 2015. 78: 1195–1200. Дои:10.1016 / j.egypro.2015.11.108. ISSN 1876-6102.
  3. ^ Кросс, Дэниел Т. (12.11.2019). «Новый искусственный лист может помочь нам в борьбе с изменением климата». Время устойчивости. Получено 2020-04-30.
  4. ^ Бьелло, Дэвид. ""Бионический лист «делает топливо из солнечного света». Scientific American. Получено 2020-05-01.
  5. ^ "Лаборатория Памелы Сильвер | Отделение системной биологии Гарвардской медицинской школы". Получено 2019-05-09.
  6. ^ "Гарвардские исследователи - первопроходцы фотосинтетического бионического листа | Новости | The Harvard Crimson". www.thecrimson.com. Получено 2020-05-01.
  7. ^ а б c Бьелло, Дэвид. «Бионический лист делает топливо из солнечного света, воды и воздуха». Scientific American. Получено 2020-04-30.
  8. ^ «Бионический лист превращает солнечный свет в жидкое топливо». Harvard Gazette. 2016-06-02. Получено 2020-04-30.
  9. ^ а б c d Лю, Чонг; Colón, Brendan C .; Зизак, Марика; Серебро, Памела А .; Ночера, Дэниел Г. (2016-06-03). «Биосинтетическая система расщепления воды с эффективностью сокращения выбросов CO2, превышающей фотосинтез». Наука. 352 (6290): 1210–1213. Дои:10.1126 / science.aaf5039. ISSN 0036-8075. PMID 27257255.
  10. ^ «Гонка за изобретением искусственного листа». Обзор технологий MIT. Получено 2020-05-01.
  11. ^ «Ученые создают« искусственный лист », который превращает углекислый газ в топливо». Новости Ватерлоо. 2019-11-04. Получено 2020-05-01.
  12. ^ "'Искусственный лист «успешно производит чистый газ». Кембриджский университет. 2019-10-21. Получено 2020-05-01.
  13. ^ Биелло, Дэвид (1 августа 2016 г.). «Новый« бионический »лист примерно в 10 раз эффективнее естественного фотосинтеза». Scientific American (315). Получено 1 апреля 2020.
  14. ^ а б «Бионический лист превращает солнечный свет в жидкое топливо». Harvard Gazette. 2016-06-02. Получено 2020-04-30.
  15. ^ «Бионический лист Гарварда может помочь накормить мир». Harvard Gazette. 2018-01-31. Получено 2020-04-02.
  16. ^ «Расширение досягаемости бионического листа». chemistry.harvard.edu. Получено 2020-04-02.
  17. ^ а б Лю, Чонг; Сакимото, Келси К .; Colón, Brendan C .; Серебро, Памела А .; Ночера, Дэниел Г. (20.06.2017). «Цикл восстановления атмосферного азота с использованием гибридной неорганико-биологической системы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 114 (25): 6450–6455. Дои:10.1073 / pnas.1706371114. ISSN 0027-8424. ЧВК 5488957. PMID 28588143.
  18. ^ Appl, Max (2006), «Аммиак», Энциклопедия промышленной химии Ульмана, Американское онкологическое общество, Дои:10.1002 / 14356007.a02_143.pub2, ISBN 978-3-527-30673-2
  19. ^ Лимоник, Сэм. «Бионический лист делает удобрения из солнечного света и воздуха». Forbes. Получено 2020-04-02.
  20. ^ Кросс, Дэниел Т. (12.11.2019). «Новый искусственный лист может помочь нам в борьбе с изменением климата». Время устойчивости. Получено 2020-04-30.
  21. ^ Лю, Чонг; Nangle, Shannon N .; Colón, Brendan C .; Серебро, Памела А .; Ночера, Дэниел Г. (2017). «13C-маркировка пути фиксации углерода высокоэффективной искусственной фотосинтетической системы». Фарадеевские дискуссии. 198: 529–537. Дои:10.1039 / c6fd00231e. ISSN 1359-6640. PMID 28294218.
  22. ^ "'Бионический лист может однажды помочь уменьшить выбросы CO2 в атмосферу ». www.wbur.org. Получено 2020-04-30.
  23. ^ «Может ли« бионический лист »решить наши климатические и энергетические проблемы?». Новости NBC. Получено 2020-04-30.
  24. ^ Франгул, Анмар (29.04.2019). «Британские ученые стремятся использовать бионические листья для борьбы с загрязнением воздуха». CNBC. Получено 2020-04-30.
  25. ^ а б c Шукле, Томаж; Медведь, Сашо; Аркар, Цирил (01.06.2013). «Экспериментальное исследование микроклиматического слоя бионического фасада, вдохновленного вертикальной зеленью». Журнал бионической инженерии. 10 (2): 177–185. Дои:10.1016 / S1672-6529 (13) 60213-9. ISSN 2543-2141.