Бионический лист - 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, полимеры и 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 Ночера лаборатория 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.