«Искусственный фотосинтез. Новое в фотосинтезе»
Выполнил:
студент
Проверил:
д.х.н., профессор _ _ Букейханов Н. Р.
(дата) (подпись)
Москва –
Содержание
Общие понятия 2
Описание 3
«На пороге дешевого топлива» 4
«Эффективный искусственный фотосинтез из Японии» 7
«Искусственный фотосинтез молекулы воды» 8
Инновации в ИФ 9
«Ученые создали искусственный фотосинтез» 10
Глоссарий 17
Источники 18
Общие понятия
Фотосинтез — процесс синтеза органических веществ за счет энергии света. Организмы, которые способны из неорганических соединений синтезировать органические вещества, называют автотрофными. Фотосинтез свойственен только клеткам автотрофных организмов. Гетеротрофные организмы не способны синтезировать органические вещества из неорганических соединений. Клетки зеленых растений и некоторых бактерий имеют специальные структуры и комплексы химических веществ, которые позволяют им улавливать энергию солнечного света.
Искусственный фотосинтез (англ. artificial photosynthesis) — процесс конверсии световой энергии в химическую с использованием синтетических супрамолекулярных наноразмерных систем. При этом под воздействием солнечного света вода и диоксид углерода преобразуются в молекулярный кислород и глюкозу. Иногда к искусственному фотосинтезу относят разделение воды на водород и кислород под воздействием солнечной энергии.
Исследования направлены на реализацию разновидности фотосинтеза, связанной с разложением воды на водород и кислород. Этот процесс является первой стадией фотосинтеза в растениях (светозависимая фаза). Конверсия диоксида углерода не требует воздействия света. Водород, полученный на первой стадии искусственного фотосинтеза, может быть использован в водородных двигателях для генерирования «чистой» энергии.
Светонезависимая реакция (т. н. «темновая фаза» или Цикл Кальвина) является второй стадией фотосинтеза, в ходе которой диоксид углерода конвертируется в глюкозу. Глюкоза является источником энергии, обеспечивающим рост растений. Предполагается, что этот процесс, воспроизведённый в промышленных масштабах, поможет противостоять глобальному потеплению. Светонезависимая стадия фотосинтеза может быть использована для поглощения избыточного количества углекислого газа из атмосферы. Однако такой процесс будет требовать значительных источников энергии, как это происходит при фотосинтезе в растениях.
Описание
Для устойчивого развития человечеству к 2050 г. необходимо производить 10 ТВт/ч «чистой» энергии, не связанной с выделением парниковых газов. Самый перспективный способ получения «чистой энергии» — использование солнечного излучения. Существует три основных способа применения наноструктур для конверсии солнечной энергии:
искусственный фотосинтез с использованием донорно-акцепторных супрамолекулярных ансамблей и кластеров;
фотокаталитическое производство водорода;
солнечные батареи на основе наноструктурных полупроводников.
Искусственная фотосистема для превращения световой энергии в химическую должна, как и природная, содержать три основных компонента — фотоантенну, реакционный центр и систему хранения энергии. Фотоантенна поглощает энергию света, а уже затем передает ее в реакционный центр, в котором происходят химические реакции. В фотосистемах высших растений и цианобактерий такую роль играют молекулы хлорофилла.
В природных фотосистемах параметры всех трех компонентов — пространственные, электронные, кинетические и термодинамические — оптимизированы для достижения максимального квантового выхода. В искусственных фотосистемах, кроме высокого квантового выхода, надо достичь как можно большей доли конверсии световой энергии в химическую. При дизайне каждого из этих компонентов надо ответить на два главных вопроса:
из каких веществ — хромофоров, доноров, акцепторов — они должны состоять;
как собрать эти вещества в единую работающую систему?
Фактически, необходимо выбрать «строительные блоки» и придумать способ их соединения между собой. Проще всего эта задача решается для искусственных фотоантенн. В качестве хромофоров выбирают металлопорфирины — тетрапиррольные комплексы металлов, а также их производные. Наиболее популярны порфирины с ионами цинка, магния и платиновых металлов, а также свободные порфирины, в которых центральный атом металла отсутствует. Порфирины соединяют в единую фотоантенну методами супрамолекулярной химии, т. е. посредством нековалентных взаимодействий, либо с помощью ковалентных связей (рис.). Варьируя пространственную структуру антенны и состав боковых цепей порфиринов, можно управлять потоком энергии по антенне.
Современное состояние проблемы искусственного фотосинтеза таково, что принципиально решен вопрос синтеза отдельных узлов фотосистемы (фотоантенны, реакционного центра и системы хранения энергии) и их соединения друг с другом. Задача теперь состоит в том, чтобы улучшать характеристики этих систем, сохранив их основное преимущество перед природными — простоту организации.
Рисунок 1. Супрамолекулярная гексада, моделирующая реакционный центр,
соединенный с фотоантенной.