Artefarita fotosintezo

**Artefarita fotosintezo** estas kemia procezo de biomimetiko, kiu imitas la naturan procezon de fotosintezo por transformi sunlumon, akvon kaj karbonan dioksidon en karbonhidratoj kaj oksigeno. La termino artefarita fotosintezo estas ofte uzata por referi al ajna plano por kapti kaj konservi la energion de sunlumo en la kemiaj ligoj de fuelo (suna brulaĵo). Fotokataliza akvofendado transformas akvon en hidrogenon kaj oksigenon kaj estas grava esplora temo de artefarita fotosintezo. Lumregata reduktado de karbona dioksido estas alia procezo studata, kiu kopias naturan karbonfiksiĝon.

Esploro de ĉi tiu temo inkluzivas la fasonadon kaj fabrikon de aparatoj por la rekta produktado de sunaj brulaĵoj, fotoelektrokemio kaj ties apliko en brulaĵpiloj kaj por krei enzimojn kaj fotoaŭtotrofajn mikroorganismojn por mikroba biobrulaĵo kaj biohidrogenon el sunlumo.

## Resumo 
La fotosinteza reakcio estas dividebla en du duonreakcioj de oksidado kaj redukto, de kiuj ambaŭ estas nepraj por produkti brulaĵon. En planta fotosintezo, akvaj molekuloj estas foto-oksidigataj por liberigi oksigenon kaj protonojn. La dua fazo de planta fotosintezo (ankaŭ nomita la Calvin-Benson-ciklo) estas  lumsendependa reakcio kiu transformas karbonan dioksidon en glukozon (fuelon). Esploristoj de artefarita fotosintezo evoluigas fotokatalizilojn kiuj kapablas katalizi ĉi tiujn reakciojn. Cetere, la protonoj rezultantaj de la akvofendado estas uzeblaj por produkti hidrogenon. Ĉi tiuj kataliziloj devas kapabli reakcii rapide kaj sorbi grandan procenton de la ricevitaj sunaj fotonoj.
maldekstra|eta|Natura (maldekstre) kontraŭ artefarita fotosintezo (dekstre)

Dum fotovoltaiko povas provizi energion rekte de sunlumo, la malefikeco de brulaĵa produktado de lumelektro (nerekta procezo) kaj la fakto ke sunlumo ne estas konstanta tra la tago fiksas limon al ties uzo. 
Unu metodo uzi naturan fotosintezon estas por la produktado de biobrulaĵo, kiu estas nerekta procezo kiu suferas de malalta energia konvertiĝa efikeco (pro la propra malalta efikeco de fotosintezo transformi sunlumon al biomaso), la kosto rikolti kaj transporti la brulaĵon kaj konfliktoj pro la kreskanta bezono por kampoj por produkti manĝaĵojn. 
La celo de artefarita fotosintezo estas produkti brulaĵon el sunlumo kiu povas konserviĝi konvene kaj uziĝi kiam sunlumo ne estas havebla, uzante rektajn procezojn, tio estas, por produkti sunan brulaĵon. Kun la evoluado de kataliziloj kapablaj reprodukti la gravajn partojn de fotosintezo, akvo kaj sunlumo fine estus la solaj bezonataj fontoj por produkti puran energion. La sola kromprodukto estus oksigeno kaj produktado de suna brulaĵo havas la eblecon esti pli malmultekosta ol benzino.

Unu procezo por krei puran kaj malaltkostan energian provizon estas la evoluado de fotokataliza akvofendado sub suna lumo. Ĉi tiu metodo de daŭrigebla hidrogena produktado estas grava celo por la evoluado de alternativaj energiaj sistemoj. 
Oni ankaŭ antaŭvidas ke ĝi estos unu el la pli, se ne la plej, efikaj metodoj akiri hidrogenon el akvo. 
La konvertiĝo de suna energio al hidrogeno per akvofenda procezo helpata de fotoduonkonduktaj kataliziloj estas unu el la plej promesplenaj teknologioj evoluataj. 
Ĉi tiu procezo havas la eblecon por grandaj kvantoj de hidrogeno produktata en  ekologie prudenta maniero. [Citaĵo bezonata] La konvertiĝo de suna energio al pura brulaĵo (H2) sub ĉirkaŭaj kondiĉoj estas unu el la plej grandaj defioj alfrontantaj sciencistojn en la dudek-unua jarcento.

Oni ĝenerale agnoskas du metodojn por konstrui sunajn fuelĉelojn por hidrogena produktado:

* Homogena sistemo estas tiu, en kiu kataliziloj ne estas dispartigitaj, tio estas, la eroj ĉeestas  en la sama ujo. Tio ĉi signifas ke hidrogeno kaj oksigeno produktiĝas en la sama loko. Tio ĉi povas esti malavantaĝo, pro tio ke ili kunmetas eksplodan miksaĵon, deviganta apartigon de la gasaj produktoj. Ankaŭ, ĉiuj eroj devas esti aktivaj en proksimume la samaj kondiĉoj (ekzemple, pH).
* Heterogena sistemo havas du apartajn elektrodojn, anodon kaj katodon, ebligante la apartigon de oksigeno kaj hidrogeno. Cetere, malsamaj eroj ne nepre devas funkcii en la samaj kondiĉoj. Tamen, la pliigita komplekseco de ĉi tiuj sistemoj igas ilin pli malfacile evoluigeblaj kaj pli altkostaj.

Alia kampo de esplorado ene de artefarita fotosintezo estas la elekto kaj manipulado de fotosintezaj mikroorganismoj, nome verdaj mikroalgoj kaj cianobakterioj, por la produktado de sunaj brulaĵoj. Multaj variaĵoj kapablas produkti hidrogenon nature, kaj sciencistoj laboras por plibonigi ilin.Algaj biobrulaĵoj, kiel butanolo kaj metanolo, produktiĝas je laboratoria kaj je komerca skaloj. Ĉi tiu metodo profitis de la evoluado de sinteza biologio, kiun esploradas la Instituto J. Craig Venter por produkti sintezan organismon kapabla produkti biobrulaĵon. 
En 2017, efika procezo estis evoluigita produkti acetatan acidon el karbona dioksido uzante "kiborgajn bakteriojn".

## Historio 
Artefaritan fotosintezon unue anticipis la itala kemiisto Giacomo Ciamician en 1912. En lekcio poste eldonita  li proponis ŝanĝon de la uzo de fosiliaj brulaĵoj al radianta energio provizita de la suno kaj kaptita de teknikaj fotokemiaj aparatoj. En ĉi tiu ŝanĝo li vidis eblecon malpliigi la diferencon inter la riĉa nordo de Eŭropo kaj la malriĉa sudo kaj kuraĝis konjekti, ke ĉi tiu ŝanĝo de karbo al suna energio  "ne estus danĝera al la progreso kaj al homa feliĉo."

Dum la 1960aj jaroj, Akira Fujishima eltrovis la fotokatalizajn proprecojn de titana dioksido, la tiel nomitan Honda-Fujishima efikon, kiu uzeblas por hidrolizo.

Fendi videblan lumon per unupeca plurjunkcia duonkonduktilo (kontraŭ ultraviola lumo kun titana dioksido duonkonduktiloj) unue demonstris kaj patentis William Ayers ĉe Energy Conversion Devices (Energia Konvertaj Aparatoj) en 1983. Ĉi tiu grupo montris akvan fotolizon en hidrogenon kaj oksigenon, nun nomita "artefarita folio" je malalte kosta, maldika filma, amorfa silicia, plurjunkcia folio mergita rekte en akvo. Hidrogeno eliĝis ĉe la antaŭa amorfa silicia surfaco ornamita per diversaj kataliziloj dum oksigeno eliĝis de la malantaŭa flanka metala subtavolo, kiu ankaŭ eliminis la danĝeron de miksata hidrogena/oksigeno gasa produkto. Polimera membrano super la mergita aparato provizis vojon por proton-transportado. La pli alta fototensio havebla de la plurjunkcia, maldika filma, aparato kun videbla lumo estis grava antaŭenigo super la antaŭa fotolizo kun ultraviolaj aŭ aliaj unujunkciaj duonkonduktaj fotoelektrodoj. La patento de la grupo ankaŭ listigis plurajn aliajn duonkonduktajn plurjunkciajn kunmetaĵojn krom amorfa silicio.

La sveda Konsorcio por Artefarita Fotosintezo, la unua tia organizo, establiĝis en 1994 kiel kunlaboro inter grupoj el tri universitatoj, Lund, Uppsala kaj Stokholmo. La konsorcio estis konstruita kun plurfaka aliro por celi lerni de natura fotosintezo kaj apliki ĉi tiun scion en biomimetikaj sistemoj.

Esploro pri artefarita fotosintezo pliiĝas en la 21a jarcento. En 2003, la Nacia Laboratorio Brookhaven anoncis la eltrovon de grava intermeza parto de la redukto de CO2 al CO (la plej simpla redukta reakcio de karbona dioksido), kiu povus rezulti en pli bonaj kataliziloj.

Unu el la malavantaĝoj de artefaritaj sistemoj por akvo-fendantaj kataliziloj estas ilia ĝenerala dependeco sur malabundaj, altkostaj elementoj, kiel rutenio aŭ renio.
 
La katalizilo fendis akvon en oksigenon kaj protonojn uzante sunlumon, kaj eble povos esti kuplita kun hidrogen-produktanta katalizilo kiel plateno. Plue, kvankam la katalizilo rompiĝis dum katalizado, ĝi povis riparo sin. Multaj esploristoj konsideras ĉi tiun eksperimentan katalizilan aranĝon grava plibonigo.

Dum CO estas la ĉefa redukta produkto de CO2, pli kompleksaj karbonaj kombinaĵoj estas kutime dezirataj. Dum 2008, Andrew B. Bocarsly raportis la rektan konvertiĝon de karbona dioksido kaj akvo al metanolo uzante sunan energion en  tre efika fotokemia ĉelo.

Dum Nocera kaj kunlaborantoj atingis akvofendadon al oksigeno kaj protonoj, oni serĉas lumregatan procezon produkti hidrogenon. En 2009, la Instituto Leibniz por Katalizado raportis ke malaltkostaj feraj karbonilaj kompleksoj kapablas fari tion. En la sama jaro, esploristoj ĉe la Universitato de Orienta Anglio ankaŭ uzis ferajn karbonilajn kombinaĵojn por produkti fotoelektrokemie hidrogenon je 60% efikeco, uzante oran elektrodon kovritan per tavoloj de india fosfido al kiu la feraj kompleksoj estis ligitaj. Ambaŭ ĉi tiuj procezoj uzis molekulan aliron, kie nanopartikloj kaŭzas la katalizon.

En 2009, F. Del Valle kaj K. Domen montris la efikon de la termika traktado en ferma atmosfero uzante Cd1-xZnxS fotokatalizilojn. Cd1-xZnxS solida solvaĵo atingas altan aktivecon en hidrogena produktado el akvofendado sub sunlumo. Miksita heterogena/molekula aliro de esploristoj ĉe la Universitato de Kalifornio, Santa Cruz, en 2010, uzante kaj nitrogeno-dotitan kaj kadmian selenidon kvantumajn punktojn, sensivigitan titanan dioksidon nanopartiklojn kaj nanodratojn, ankaŭ liveris hidrogenon.

En 2009, oni raportis ke la kompanio Mitsubishi Chemical Holdings (Kemiaj Akciaroj) evoluigas la propran esploron pri artefarita fotosintezo uzante sunlumon, akvon kaj karbonan dioksidon  "krei la karbonajn konstrublokojn de kiuj sintezi rezinojn, plastojn kaj fibrojn." La Instituto KAITEKI celas, redukti karbonan dioksidon per artefarita fotosintezo.

En 2010, la Usona Departemento de Energio establis la Komunan Centron por Artefarita Fotosintezo. Ĝia celo estas trovi kostefikan metodon produkti brulaĵojn per sunlumo, akvo kaj karbona-dioksido.  JCAP estas administrata de teamo de la Kalifornia Instituto de Teknologio (Caltech), direktita de Profesoro Nathan Lewis kaj kunvenigas pli ol 120 sciencistojn kaj inĝenierojn de Caltech kaj ties ĉefa partnero, Laŭrenco Berkeley Nacia Laboratorio. JCAP ankaŭ utiligas la kapablojn de Universitato Stanford, la Universitato de Kalifornio ĉe Berkeley, UCSB, Universitato de Kalifornio, Irvine kaj Universitato de Kalifornio ĉe San Diego kaj la Stanford Linia Akcelilo.  Cetere, JCAP servas kiel centro por esplorado pri sunaj brulaĵoj.

Ankaŭ en 2010, Wendell kaj kunlaborantoj sukcese demonstris fotosintezon en artefarita konstruaĵo kiu konsistas el enzimoj tenataj en ŝaŭma ujo.

En 2011, Daniel Nocera kaj lia esplora teamo anoncis la kreon de la unua praktika artefarita folio.  Nocera priskribis altnivelan sunan ĉelon kiu kapablas fendi akvon en oksigeno kaj hidrogeno, proksimume dek fojoj pli efike ol natura fotosintezo. 
La ĉelo estas plejparte fabrikita per malaltkostaj materialoj kiuj estas ĝenerale haveblaj, funkcias sub simplaj kondiĉoj kaj estas pli stabilaj ol antaŭaj kataliziloj: en laboratoriaj studoj, la artefarita folio, la prototipo, povis funkcii kontinue por almenaŭ kvardek kvin horoj sen falo en aktiveco. 
En majo 2012, la nova kompanio Suno Catalytix, bazita sur la esploro de Nocera, deklaris, ke ĝi ne pligrandigos la prototipon ĉar la aparato ne estas pli efika ol aliaj metodoj fari hidrogenon el sunlumo.

Eminentaj fakuloj en la kampo subtenis proponon por Tutmonda Projekto pri Artefarita Fotosintezo kiel solvo de energia sekureco kaj klimata ŝanĝiĝo. 
Konferencoj pri ĉi tiu temo okazis ĉe Insulo Lord Howe en 2011, 
ĉe Halo Chicheley en Britio en 2014 
kaj ĉe Kanbero kaj Insulo Lord Howe en 2016.

## Aktuala esplorado 
Laŭ energio, natura fotosintezo povas esti priskribita en tri paŝoj: Tamen, ĉi tiuj kataliziloj estas ankoraŭ tre neefikaj.
 Uzante ĉi tiun informon, oni sintezis plurajn molekulojn kiuj imitas la strukturon de la aktiva loko de kaj nikelo-fera kaj fero-fera hidrogenazoj. Aliaj kataliziloj ne estas strukturaj imitaĵoj de hidrogenazo sed praktikaj. Sintezitaj kataliziloj inkluzivas strukturajn H-faskajn modelojn,  dirodian fotokatalizilon kaj kobaltajn katalizilojn.

### Akvo-oksidigaj kataliziloj 
Akvo-oksidigo estas  pli kompleksa kemia reakcio ol proton-redukto. En naturo, la oksigeno-eliga komplekso reakcias amasigante reduktantajn ekvivalentajn (elektronojn) en mangano-kalcia fasko ene de fotosistemo II (PS II), tiam liverante ilin al akvomolekuloj, kun la rezulta produktado de molekula oksigeno kaj protonoj:

: 2H2O → O2 + 4 H+ + 4e−

Sen katalizilo (natura aŭ artefarita), ĉi tiu reakcio estas tre endoterma, bezonanta altajn temperaturojn (almenaŭ 2500 K).
Ĝis 2011, la plej detala modelo estis el kristala strukturo de fotosistemo II kun distingivo 1,9 Å. La komplekso estas fasko enhavanta kvar manganajn kaj unu kalcian jonojn, sed la ekzakta loko kaj mekanismo de akvooksidigo en la fasko estas nekonata. Tamen oni sintezis biomimetikan manganajn kaj mangan-kalciajn kompleksojn, ekzemple, [Mn4O4] kuban-tipajn faskojn, el kiuj iuj havas katalizan aktivecon

Kelkaj kompleksoj de rutenio, kiel la dinuklea µ-okso-transpontita "blua dimero" (la unua tia esti sintezita), kapablas katalizi lumregatan akvo-oksidigon, danke al ilia kapablo formi altvalentajn statojn.La stabileco kaj adapteblo de ĉi tiu sistemo estas projektita esti tre utila por estonta evoluado.

### Lumsensivigiloj 
[[Dosiero:Delta-ruthenium-tris(bipyridine)-cation-3D-balls.png|eta|Strukturo de [Ru(bipy)3]2+,  ĝenerale uzata lumsensivigilo.]]
La Naturo uzas pigmentojn, plejparte klorofilojn, por sorbi larĝan parton de la videbla spektro. Artefaritaj sistemoj povas uzi aŭ unu tipon de pigmento kun larĝa sorba gamo aŭ kombini plurajn pigmentojn por la sama celo.

Ruteniaj polipiridinaj kompleksoj, precipe tris(bipiridina)rutenio(II) kaj ties derivaĵoj, estis amplekse uzitaj por produkti hidrogenon pro ilia efika videbla lumsorbo kaj longdaŭra sekva metalo-al-liganda ŝargtransira ekscitita stato, kiu igas la kompleksojn fortaj reduktantaj agentoj. 
La anteno estas fabrikita enmetante tinkturajn molekulojn en la kanaloj de zeolite L. La enmeta procezo, kiu okazas sub vakuo kaj ĉe altaj temperaturoj, estas ebligita de la kunlabora vibra moviĝo de la zeolita kadro kaj de la tinkturaj molekuloj. 
La rezultinta materialo povas esti miksita kun ekstera aparato tra krano.

### Kataliziloj por redukti karbonan dioksidon 
En la naturo, karbonon fiksas verdaj plantoj uzante la enzimon RuBisCO kiel parto de la Calvin-ciklo. RuBisCO estas sufiĉe malrapida katalizilo kompare al la vasta plimulto de aliaj enzimoj, enkorpigante nur kelkajn molekulojn de karbona dioksido en ribulozo-1,5-bisfosfato en unu minuto, sed tiel faras ĉe atmosfera premo kaj en mildaj, biologiaj kondiĉoj. La rezultinta produkto estas plue reduktita kaj poste uzita en la sintezo de glukozo, kiu siavice estas antaŭprodukto antaŭ pli kompleksaj karbonhidratoj, kiel celulozo kaj amelo. La procezo konsumas energion en la formo de ATP kaj NADPH.

Artefarita CO2-redukto por produkti brulaĵojn celas plejparte produkti reduktitajn karbonajn kombinaĵojn el atmosfera CO2. Iuj transir-metalaj polyfosfinaj kompleksoj estis evoluigitaj tiucele; tamen, ili kutime bezonas antaŭan koncentriĝon de CO2 antaŭ uzo kaj portantajn (molekulojn kiuj fiksus je CO2) kiuj estas stabilaj en aerobiaj kondiĉoj kaj kapablaj koncentri CO2 je atmosferaj koncentriĝoj ankoraŭ ne estas evoluigitaj. La plej simpla produkto de CO2-redukto estas karbono monoksido (CO), sed por brulaĵa evoluado, plua redukto estas bezonata, kaj kerna paŝo ankaŭ bezonata pluan evoluadon estas la transigo de hidridaj anjonoj al CO.

Multaj el ĉi tiuj fotoaŭtotrofoj ankaŭ havas dudirektajn hidrogenazojn, kiuj povas produkti hidrogenon sub specifaj kondiĉoj. Tamen, aliaj energio-devigantaj metabolaj reakcioj povas konkuri por la necesaj elektronoj por protona redukto, malpliigante la efikecon de la tuta procezo; ankaŭ, ĉi tiuj hidrogenazoj estas tre sensivaj al oksigeno. Alia temo evoluiganta estas la optimumigo de fotobioreakciujoj por komercaj aplikaĵoj.

## Utiligitaj esploraj teknikoj 
Esploro en artefarita fotosintezo estas nepre plurfaka temo, deviganta multajn malsamajn kompetentecojn.
* La kosto ne estas (ankoraŭ) sufiĉe avantaĝa por konkuri kun fosiliaj brulaĵoj kiel komerce realigebla fonto de energio. En realo, la efikeco de fotosintezo estas multe malpli malalta kaj estas kutime sub 1%, kun kelkaj esceptoj, kiel sukerkano en tropika klimato.
En kontrasto, la plej alta raportita efikeco por artefarita fotosintezo, en laboritoriaj prototipoj, estas 22,4%. Tamen, plantoj estas efikaj uzante CO2 je atmosferaj koncentriĝoj, io kiun artefaritaj kataliziloj ankoraŭ ne povas fari.

## Vidu ankaŭ 
* ATP
* Biomimetiko
* Fotosintezo
* Fuelpilo
* Hidrogena civilizacio
* Sunĉelo
* Renoviĝanta energio

## Referencoj 
Kategorio:Novaj teknologioj
Kategorio:Fotokemio
Kategorio:Renoviĝanta energio
Kategorio:Biotekniko