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위치 에너지를 화학적 에너지로 생물학적으로 변환하는 것이 가능합니까?

위치 에너지를 화학적 에너지로 생물학적으로 변환하는 것이 가능합니까?


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물건을 들어 올리려면 NS 미터 높이의 증가와 관련된 위치 에너지의 증가에 해당하는 최소한의 에너지 양을 소비하는 것이 필요합니다. 물체를 내려 놓고 원래 위치로 되돌리면 중력에 대한 위치 에너지가 원래 양으로 돌아갑니다. 그러나 이 위치 에너지는 리프팅을 한 사람에게 반환되지 않습니다. 반대로 물체를 부드럽게 내려 놓으면 자유 낙하 속도를 늦추기 위해 추가 에너지가 필요합니다.

어떤 유기체가 중력 위치 에너지를 화학 에너지로 전환할 수 있습니까? 생물학적으로 실현 가능한가?


생물공학

생물공학 생물학적 시스템을 분석하고 식물, 동물 또는 미생물과 같은 시스템과 인간이 설계한 기계, 구조, 프로세스 및 기기의 인터페이스 문제를 해결하기 위해 공학 원리를 적용하는 데 중점을 둔 학제 간 영역입니다. 생물학적 혁명은 계속해서 성숙해지고 우리 모두에게 영향을 미치고 있습니다. 인간에 기반한 유전자 조작은 거의 모든 북미 식품 공급에 영향을 미칩니다. 식물과 동물은 이미 분자 기반으로 정의되고 있습니다. 이제 살아있는 유기체를 이전과는 달리 분석, 측정 및 "조작"할 수 있습니다. 생물학적 과정을 향상시키기 위해 디자이너 "벌레"가 생산되고 있습니다. 이러한 변화는 생물, 환경, 식품 및 섬유 공학을 계속 강조하는 우리의 연구 및 대학원 프로그램을 계속 재정의하고 있습니다. 농업 및 식품 시스템에 대한 우리의 연결은 여전히 ​​남아 있지만 현대 농업은 생명 공학의 영향을 크게 받고 있으며 농업과의 연결은 이러한 사실을 반영합니다. 기본 목표는 생체 시스템의 생물학과 조화롭게 작동하는 기술을 설계하는 것입니다. 많은 경우 현재 이용 가능한 지식은 식품 및 생물학적 공정의 엔지니어링 설계를 지원하기에 부적절합니다. 따라서 생물학과 생물학의 잠재적 응용에 대한 더 큰 기본 지식도 생물학 엔지니어의 관심사입니다.


화학 반응이란 무엇입니까?

NS 화학적 인 반응 어떤 화학 물질을 다른 물질로 바꾸는 과정입니다. 화학 반응을 일으키는 물질을 반응물, 그리고 화학 반응의 결과로 형성되는 물질을 제품. 반응하는 동안 반응물을 사용하여 생성물을 생성합니다.

화학 반응의 또 다른 예는 그림 (PageIndex<2>)에서 볼 수 있는 메탄 가스 연소입니다. 이 화학반응에서 반응물은 메탄(CH4)과 산소(O2)이고 생성물은 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)이다. 이 예에서 알 수 있듯이 화학 반응에는 화학 결합이 끊어지고 형성됩니다. 화학 결합은 분자의 원자를 함께 묶는 힘입니다. 원자가 전자를 공유할 때 결합이 발생합니다. 예를 들어 메탄이 타면 메탄과 산소 분자 내에서 결합이 끊어지고 이산화탄소와 물 분자에서 새로운 결합이 형성됩니다.

그림 (PageIndex<2>): 메탄 연소로 인한 화염


짧은 대답은 NO입니다. 생물학적 핵분열 원자로는 결함이 있는 설계이기도 하고 생물학적 유기체를 요리하여 그런 일이 일어나지 않도록 할 것입니다. 손익분기점에 도달하는 데 드는 에너지 비용은 우리가 그렇게 집중적으로 저장하고 방출하는 생물학적 틀을 훨씬 뛰어넘습니다.

그렇긴 하지만 생물학적 유기체는 우리가 원자로 구동될 때 얻을 수 있는 것과 같은 힘을 제공하지 않더라도 이미 분자로 구동된다는 점에 주목하는 것이 중요할 수 있습니다.

지상 생물학은 (적어도) 분자 수준에서 에너지를 저장하고 방출합니다. 즉, 식물은 CO와 같은 분자 화합물을 취합니다.2 그리고 H2O 그리고 광합성이라고 하는 흡열 반응을 통해 분자를 O와 같은 다른 분자로 변경합니다.2 탄수화물은 형성에 더 많은 에너지를 필요로 하므로 햇빛에서 얻은 에너지를 분자 형태로 저장합니다. 식물은 이 중 일부를 자신의 신진대사에 사용하고 우리와 같은 동물은 식물을 먹고 대기에서 저장된 탄수화물과 산소를 ​​취하여 다시 CO로 전환시키는 발열 반응을 생성합니다.2 그리고 물은 우리 자신의 필요를 위해 우리 내부의 에너지를 방출합니다.

이 과정에서 저장되고 방출되는 에너지는 핵분열은 물론이고 핵분열에 비해 주머니 변화이지만 인간의 신경계조차도 약 0.07볼트에서 작동하는 것처럼 보이지만 생존하기 위해 그렇게 많은 에너지가 필요하지 않습니다. 필요한 경우 표준 AA 배터리로 약 21명을 병렬로 달릴 수 있습니다(그러나 얼마나 더 연구를 해야 하는지에 대해서는 말해야 함).

결론은 우리의 생물학을 구동하는 데 원자력이 필요하지 않으며 현재 생물학적 설계의 에너지 저장 용량으로 인해 어떤 경우에도 우리가 원자력과 양립할 수 없다는 것입니다. 원자로 구동되는 것보다 분자로 구동되는 것이 우리가 필요로 하는 모든 에너지를 제공하고 훨씬 더 안전하고 지속 가능하다는 것이 밝혀졌습니다.

유기체가 농축된 덩어리의 방사성 물질을 사용하여 가압 유체를 과열시키고 그 유체를 사용하여 전도성 금속 코일 내부의 영구 자석을 회전시켜 전기를 생성하는 유기 터빈을 돌리도록 진화할 수 있습니까? 거의 확실하지 않습니다. 그것은 유기체가 스스로 에너지를 공급하기 위해 핵분열을 사용할 수 없다는 것을 의미합니까? 별말씀을 요.

원자 규모에서 핵분열성 요소는 기본적으로 작은 폭탄입니다. 분자가 무엇이든 간에 하나의 요소로 행복하게 앉아 있습니다. 그런 다음, 하나 이상의 고에너지 파편이 무작위 방향으로 튕겨져 근처에 있는 다른 분자를 망칠 가능성이 있습니다. 원래의 원자는 이제 화학이 다른 두 개의 완전히 다른 요소입니다. 우리는 핵분열 물질을 농축하여 핵분열 반응을 더욱 활발하게 하여 파편이 자주 포착되도록 합니다. 다른 핵분열성 원자는 차례로 반응하도록 유도하여 연쇄 반응을 일으키지만 가장 단순한 형태일지라도 핵분열성 물질 더미는 고에너지 파편을 포획하여 에너지를 방출합니다. 무엇 따라서 약간 뜨거워지고 피드백 루프가 필요하지 않습니다. 이 에너지원을 안전하게 사용하는 유기체에 대한 도전은 다음과 같습니다.

  1. 식품에서 핵분열성 물질을 추출하고 농축
  2. 핵분열 반응의 중원소 부산물 처리
  3. 고에너지(보통 중성자) 조각을 처리하고 운동 에너지를 열로 변환한 다음 그 열을 유기체에 더 유용한 형태의 에너지로 변환합니다.

생물학적 유기체는 거의 모든 가능한 화학 반응을 촉매할 수 있는 분자 수준에서 화학을 조작하도록 진화했으며, 경계의 한쪽 또는 다른쪽에 특정 원자를 집중시키는 등의 작업을 수행합니다. 생물이 먹이에서 우라늄이나 플루토늄을 추출하는 것이 진화적으로 유리하다면, 포유류가 지구에서 마그네슘, 칼슘 또는 칼륨 이온을 추출하는 것보다 더 어렵지 않게 그렇게 할 수 있습니다. 동위원소로 원자를 필터링하는 것은 훨씬 더 어렵지만, 다른 동위원소보다 한 동위원소에 더 강하게 결합하는 흥미로운 단백질이 진화할 수 있다는 것은 불가능하지 않습니다. 문제 1이 해결되었습니다.

문제 2도 마찬가지로 그럴듯합니다. 핵분열 반응의 정확한 부산물은 무작위이지만 작은 범위의 요소를 포함하고 유기체가 '기대'하는 경우 제어하고 배출하는 메커니즘이 있을 수 있습니다. 사용할 수 없습니다. 독은 유기체가 그 존재를 처리하도록 적응되지 않은 경우에만 유독합니다. 비소는 인간에게 매우 유독하지만 많은 육상 유기체는 고농도를 견딜 수 있도록 진화했습니다.

유기체가 직면하게 될 주요 과제는 실제로 핵분열 반응에 의해 방출되는 에너지로 분자 수준에서 유용한 일을 하는 것입니다. 핵분열 생성물을 물 또는 보다 강력한 중성자 포획 액체에 용해함으로써. 붕소는 우수한 중성자 흡수제이므로 여기에서 붕산이 좋은 선택이 될 수 있습니다. 핵 반응의 순 효과는 차가운 붕산을 뜨거운 붕산으로 바꾸는 것입니다. 그런 다음 이미 열수 분출구에서 발견되는 것과 같은 온도 구배를 이용하는 반응에서 생존하는 육상 유기체가 있습니다. 유기체는 이러한 반응을 자체적으로 이용하거나 그렇게 한 박테리아와 공생할 수 있습니다.

간단히 말해서 유기체가 진화하여 인간이 "핵분열 원자로"로 간주하는 매우 불안정하고 엔트로피가 낮고 복잡한 물질 배열을 설정하는 것을 볼 가능성은 거의 없지만 핵분열은 에너지 방출 과정이며, 유기체는 그 과정을 보다 편안하고 시냇물처럼 이용하도록 진화했습니다. 본질적인 방법, 완벽하게 가능합니다.


태양 에너지를 화학 연료로 전환하는 전망: 태양광 연료 산업의 개념

현재 고갈되고 있는 화석 연료를 재생 가능한 에너지원으로 대체해야 한다는 널리 알려진 요구에도 불구하고 세계 어디에도 태양 연료 산업은 없습니다. 태양광을 화학적 포텐셜의 형태로 저장하기 위해서는 많은 장애물을 극복해야 하고, 적당한 가격에 편리한 형태로 대규모 에너지를 생산하기 위해서는 극복해야 할 심각한 장벽이 있습니다. 또한 햇빛의 간헐적 특성, 확산성 및 가변성을 허용하고 집광을 위해 넓은 표면적을 사용해야 하는 명백한 필요성에 대처하는 것도 필수적입니다. 그럼에도 불구하고 우리는 태양광을 바이오매스 또는 화학 공급원료로 저장하기 위한 실행 가능한 전략을 고안하는 것 외에 다른 대안이 없습니다. 태양열 난방과 같은 간단한 대안은 빠른 시연 측면에서 매력적이지만 정답은 아닙니다. 광전기화학 장치는 전자 전하를 생성하는 데 필요한 기계 역할을 할 수 있지만 주요 문제는 이러한 전하를 에너지 저장 화학 반응을 유도하는 데 필요한 다중 전자 촉매에 연결하는 것입니다. 여러 잠재적 연료(CO, H2, HCOOH, NH3, 오2, 특수 유기물 등)이 가능하지만 CO의 광화학 환원2 온실 가스의 과잉 생산에 대한 우려가 계속 증가하고 있기 때문에 특히 언급할 가치가 있습니다. 주변 조건에서 이러한 반응을 달성하기 위한 전망이 여기에서 고려됩니다.

1. 배경

대략적으로 말하자면, 현재 전 세계적으로 우리가 소비하는 에너지는 약 15조 와트에 달하며, 그 중 약 85%는 석유, 석탄 및 천연 가스와 같은 화석 연료의 연소에서 발생합니다. 이러한 막대한 화석 연료 소비는 기후 변화, 산성화된 해양 및 기름 유출과 같은 주요 문제를 야기하는 불행한 부산물의 불가피한 생산으로 이어집니다. 이러한 문제가 앞으로 몇 년 동안 중요성이 커질 것이라는 데는 의심의 여지가 없습니다. 특히 인구 증가와 에너지 사용 증가로 인해 후자는 2050년 이전에 두 배가 될 것으로 예상됩니다(Lewis & Nocera [1]에서 논의한 대로). 지속 가능한 에너지 공급을 제공하는 측면에서 국가 안보에 대한 추가 우려가 제기될 수 있습니다. 실제로 유럽(및 대부분의 개별 국가)은 외부 에너지 공급에 크게 의존하고 있으며 이러한 상황은 건강하지 않습니다. 결과적으로, 환경 친화적인 연료 생산은 국가적 및 국제적 수준에서 전 세계적으로 중요한 전략적 중요성의 목표가 되었습니다. 즉각적이지는 않지만 긴급한 재생 에너지원의 도입은 현대 과학에 심각한 도전을 제시하지만[2] 핵심 조치는 이미 취해졌습니다. 성공하고 중요한 과학적 문제를 다룰 필요성을 유지하려면 화학, 물리학, 공학 및 생물학을 포괄하는 표적화된 다학문 접근 방식을 추구하는 것이 필요합니다. 우리는 이 모험의 시작 단계에 있으며 과학적 요구를 충족시키기 위해 충분한 자금이 제공될지 여부는 불분명합니다. 휘발유 가격이 인공 광합성 지원 수준을 결정했던 과거의 교훈이 잘 활용되기를 바랄 뿐입니다.

특히 태양 전지[3,4], 조력[5] 및 풍력[6] 터빈을 가장한 재생 가능한 전력원은 화석 연료를 대체하는 데 도움이 되도록 설정되어 있으며 측면에서 효율성이 향상되고 비용이 절감된다는 보고가 있습니다. 전기 생산의. 이것은 중요하며 더욱 권장되어야 합니다. 그러나 전기의 주요 문제는 대규모로 저장하기 어렵고 그 자체로는 CO 증가를 상쇄하는 데 거의 도움이 되지 않는다는 것입니다.2 수준. 따라서 선박, 비행기 또는 농업용 차량과 같은 대부분의 중공업 및 운송 응용 분야에는 신뢰할 수 없습니다. 많은 시민들이 새로운 원자력 발전소 건설에 대해 걱정하고 있습니다. 많은 연구자들이 생각하는 답은 화학적 잠재력의 형태로 햇빛을 포착하고[7] 공급원료로서의 역할을 수행할 수 있는 다양한 연료 생산을 위한 전략을 고안하는 것입니다. 이 경로가 실행 가능하다는 표시가 있지만 현재로서는 태양열 연료 산업이 없습니다. 추정되는 태양 연료의 선택은 광범위합니다. 아마도 이것은 초점을 잃는 해로운 지점일 것입니다. 그리고 우리가 이러한 모든 가능성을 탐구해야 한다는 데는 의심의 여지가 없습니다. 그럼에도 불구하고 이 (상대적으로) 새로운 분야의 범위를 입증하고 과신을 피하기 위해 압도적인 필요성이 있습니다.

2. 목적

잠재적인 재생 에너지원 중에서 태양 에너지는 가장 풍부하며 효율적으로 수확될 경우 가까운 미래에 대한 전 세계 에너지 수요를 충족할 수 있습니다[1]. 진행 중인 대부분의 태양 에너지 연구는 광기전 장치[8,9,10]를 통해 전기로 직접 변환하거나 태양열 절차[11]를 통해 고온 열로 변환하는 데 중점을 두고 있습니다. 비용 효율성과 변환 효율성이 매우 중요하지만 스토리지도 중요합니다. 후자는 주로 저비용 배터리 형태이다[12]. 추가 연구는 개인 에너지 공급 장치로 사용하거나 비용이 덜 중요한 원격 설치를 위한 소형 전원 장치를 제공하는 방향으로 진행됩니다. 우리는 이제 주요 문제에 주의를 기울입니다. 햇빛을 포착하고 저장하여 막대한 에너지 공급을 제공함으로써 (예를 들어! ) 북유럽.

3. 태양광 연료

연료는 제어된 방식으로 기계적, 전기적 또는 화학적 작업을 수행하기 위해 나중에 추출될 수 있는 에너지를 저장하는 모든 물질입니다. 인간이 사용하는 대부분의 연료는 가연성 물질이 점화된 후 에너지를 방출하고 공기 중의 산소와 반응하는 산화환원 반응을 거칩니다. 연료를 에너지로 전환하는 데 사용되는 다른 공정에는 다양한 발열 화학 반응 및 핵 공정이 있습니다. 연료는 또한 유기 분자가 산화되어 사용 가능한 에너지를 방출하는 세포 호흡에 사용됩니다. 탄화수소는 지금까지 가장 일반적인 연료 공급원입니다. 우리는 바이오매스로 구성되거나 바이오매스에서 파생된 고체, 액체 또는 기체 연료로 광범위하게 정의될 수 있는 소위 바이오 연료를 인식할 수 있습니다. 바이오매스는 난방이나 전력에 직접 사용할 수도 있습니다. 바이오 연료의 주요 이점은 자체적으로 빠르게 보충될 수 있는 모든 탄소원에서 생산될 수 있다는 사실과 관련이 있습니다. 우리는 수억 년에 걸쳐 고대 식물과 동물의 화석화된 잔해에서 형성된 주로 석탄과 석유(액체 및 기체 모두)와 같은 화석 연료에 대해 잘 알고 있습니다. 마지막으로, 우리는 원자력 에너지를 얻기 위해 소비되는 모든 물질인 핵연료에 대해 알고 있습니다. 현재로서는 태양 연료가 무엇을 의미하는지에 대한 합의가 없습니다!

태양 연료는 '물이나 CO와 같은 풍부하고 값싼 물질에서 생성되는 에너지가 풍부한 물질로 정의 할 수 있습니다.2, 태양광을 유일한 에너지 입력으로 사용'. 본질적으로 목표는 CO를 생산하는 것입니다.2 물에서 나오는 희박한 연료 또는 햇빛 아래에서 기존 산업 공정의 부산물로 쉽게 구할 수 있는 시약. 연료로 분류되는 제품은 저장 가능해야 합니다. 인구 밀도가 높은 일부 지역에서 장기간에 걸쳐 확장되는 특정 시간의 햇빛 부족을 다루는 접근 방식에 몇 가지 중요한 절충안을 처음부터 구축해야 합니다. 무엇보다도 이 분야에 대한 과학 연구를 위한 미래 자금 지원을 위해서는 대규모 실증 모델이 더 빨리 도입되어야 합니다.

4. 니즈 파악

2008년의 전 세계 전기 생산은 20 261 TWh(Statistical Review of World Energy 2009, BP)로, 지구가 1시간 동안 받는 태양 에너지의 11%(174 000 TWh)에 해당합니다. 전기 공급원은 화석 연료 67%, 재생 에너지 18%, 원자력 13%였습니다. 석유의 직접 연소는 5.5%에 불과했습니다. 재생 가능 에너지의 92%는 수력 발전이고 그 다음은 풍력 6%, 지열 1.8%입니다. 대부분의 과학자들은 미국에서 화석 연료 기반 전력 생산이 전 세계 온실 가스 배출량의 상당 부분을 차지하고 발전이 배출량의 거의 40%를 차지하는 반면 발전을 위한 화석 연료 연소가 65%를 차지한다는 데 동의합니다. SO의 모든 배출량2, 산성비의 주요 원인 및 NO와 같은 기타 중요한 오염 물질NS, CO 및 미립자 물질. 또한 대부분의 대규모 화력 발전소는 냉각 목적으로 상당한 양의 물을 소비하며 이 사실 자체가 우려의 원인이라는 점을 기억하는 것도 중요합니다. 전체 전력 생산의 상당 부분이 산업용 및 가정용 난방 및/또는 냉방에 사용됩니다. 이 분야에서 태양 에너지 변환이 매우 중요할 수 있음은 분명합니다.

다시 2008년과 관련하여 태양광 전지는 총 전기 생산의 0.06%만 차지한 반면 태양열 장치는 0.004%에 불과했습니다. 태양열 집열기와 달리 광전지 패널은 햇빛을 직접 전기로 변환합니다. 햇빛이 자유롭고 풍부하지만, 태양열 전기는 패널 비용으로 인해 일반적으로 대규모 기계적으로 생성된 전력보다 생산하는 데 비용이 더 많이 듭니다. 저효율 실리콘 태양 전지는 비용이 감소하고 있으며 변환 효율이 30%에 가까운 다중 접합 전지가 현재 상업적으로 이용 가능합니다. 특정 실험 시스템에서 40% 이상의 효율성이 입증되었습니다. 최근까지 태양광발전은 상용 전력망에 접근할 수 없는 원격지나 개인 가정 및 기업을 위한 보조 전력원으로 가장 일반적으로 사용되었습니다. 최근 환경 문제로 인한 보조금과 함께 제조 효율성 및 광전지 기술의 발전으로 태양광 패널의 배치가 극적으로 가속화되었습니다. 독일, 일본, 캘리포니아 및 뉴저지의 증가에 힘입어 설치 용량은 매년 40%씩 증가하고 있습니다.

영국 내에서 우리는 표 1에 따라 에너지 수요를 대략적으로 분석할 수 있습니다(DECC 보고서: 영국의 에너지 소비). 이는 에너지 소비의 두 가지 주요 영역이 운송 및 국내 수요임을 보여줍니다. 이는 영국이 중공업 지역이라는 널리 퍼진 개념을 고려할 때 놀라운 일일 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 우리가 국내에서 사용되는 화석 연료를 태양 연료로 대체함으로써 우리의 글로벌 에너지 그림에 중요한 기여를 할 수 있다는 것은 분명합니다. 영국 국내 에너지 소비 내역을 살펴보면 난방이 가장 큰 단일 요인임을 확인할 수 있습니다. 이것은 우리가 고려할 수 있는 태양 연료 유형에 대한 우선 순위를 정의하는 데 중요한 정보입니다.

표 1. 영국의 주요 에너지 소비 모드 분석.

느슨하게 '상업적'이라고 부를 수 있는 것을 포함합니다.

5. 광화학 열 생산

태양광을 가정 난방의 원천으로 사용하기 위한 대체 경로가 고려되었습니다. 이와 관련하여 한 가지 흥미로운 관찰은 소위 사우스 안드로스 블랙홀과 관련이 있습니다. 여기에서 약 18m 깊이에 광영양 자황 박테리아의 1m 두께의 조밀한 층이 존재하고 특징적인 색상을 발생시킵니다. 이 박테리아는 매우 효과적인 열 기관 역할을 하며 박테리아 주변의 온도를 36°C로 일정하게 유지합니다. 이것은 놀라운 성과이지만 인공적인 수준에서 상상할 수 있을 정도로 복제할 수 있습니다[13]. 사실, 비복사 채널을 통해 광자 에너지를 (저온) 열로 변환할 수 있는 광화학 사이클을 고안하는 데 어려움이 없습니다. 문제는 고온의 열을 발생시키고 필요할 때 원하는 열을 방출할 수 있도록 에너지를 저장하는 것입니다. 이것은 가진 직후에 단순히 열을 국부 환경에 축적하는 것과는 상당히 다릅니다.

이러한 상황은 약 30년 전에 처음으로 고려되었으며 몇 가지 추정 주기가 확인되었습니다. 최고의 광화학 저장 시스템 중 하나는 norbornadiene과 quadricyclane 사이의 상호 변환입니다[14]. 이러한 유형의 광이성질체화는 특히 깨끗하고 본질적으로 온도와 무관합니다. 노르보르나디엔의 이성질화를 유도하기 위해 근자외선이 필요하지만 가시광선 영역에서 흡수하는 삼중항 상태 증감제[15]를 사용하여 반응을 촉진하는 것이 가능합니다. 이성질화 단계는 전이 금속 촉매(그림 1) 위로 쿼드리사이클란 생성물을 통과시켜 열로 전환될 수 있는 상당한 양의 에너지를 저장할 수 있습니다. 주요 결점은 열악한 광 수확 능력, 유기 용매를 사용해야 하는 필요성 및 재활용제의 열악한 촉매 특성입니다. 그럼에도 불구하고 이것은 태양 에너지 변환의 가치 있는 실제 적용입니다.

그림 1. 용액에서 노르보르나디엔의 광분해에 의해 생성된 열의 저장 및 방출에 사용되는 사이클. 쿼드리사이클란에서 노르보르나디엔으로의 발열 전환은 촉매가 있는 경우에만 발생합니다.

수용액에서 작동하는 새로운 형태의 광이성체 기반 주기가 발견될 수 있는지 고려해 볼 가치가 있습니다. 이상적으로, 이것은 가시광선에 의해 구동되는 광화학적 아데노신 삼인산(ATP) 합성을 포함할 것입니다. 이것은 그 자체로 큰 도전이지만 비현실적인 것은 아닙니다. 더 간단한 대안으로, 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(NAD+)와 그 환원된 형태(NADH)의 상호전환을 중심으로 광화학적 주기를 설계하는 것을 생각할 수 있지만, 중간 NAD⋅ 라디칼의 이량체화를 피할 필요가 있습니다. 이 주기는 입력으로 광자 에너지를 사용하여 효소적으로 구동될 수 있지만 이 과정은 일반적으로 트리에탄올아민과 같은 추가 희생 유기 기질을 소모하는 비용으로 달성됩니다[16]. NADH의 산화(또는 NAD+의 환원)와 비희생 반응을 결합하는 직렬 광시스템을 설계하는 것이 더 어렵습니다. 부분적으로 이 문제는 양성자의 불균형으로 인해 악화됩니다. 예를 들어 NAD+의 환원은 수소화물 전달 반응으로 간주될 수 있지만 O2 물에서 진화하면 4개의 양성자가 축적됩니다. 그럼에도 불구하고 이러한 주기는 연료 수집 및 저장과 관련된 문제를 극복하는 수단으로 중요합니다. 가까운 장래에 이러한 시스템, 특히 인공 ATP 합성에 더 많은 관심이 주어질 가능성이 높습니다.

6. 광화학 합성

광화학은 새로운 의약품을 포함한 귀중한 물질을 합성하는 도구로 사용될 수 있습니다. 햇빛은 에폭사이드와 같은 주요 출발 화합물의 산업적 규모를 생성하는 데 유리하게 사용될 수 있다고 종종 제안됩니다. 합리적으로 이것은 단일항 분자 산소의 민감한 형성 및 알켄과의 후속 반응에 의해 달성될 수 있습니다. 그러나 유기 화합물에 대한 일중항 분자 산소 공격과 관련하여 선택성 및 특이성의 문제가 있습니다. 산소는 물에서 파생될 수 있습니까? 글쎄, 이 가능성은 고려되었지만 결과는 그다지 유망하지 않습니다.

대안적인 접근법은 광화학적 방법을 사용하여 가치 있는 연료를 생성하기 위해 폐유기 기질을 희생제로 사용하는 것입니다[17]. 이러한 전략은 특정 촉매 주기(예: H2 세대) 그러나 나중 단계에서 심각한 문제로 이어집니다. 여기에서 실행 가능한 연료를 생성하는 광화학 반응을 통해 업그레이드할 수 있는 적절한 폐기물 덤프가 있는지 여부에 대한 질문을 제기할 수 있습니다. 약간 다른 방식으로 유사한 반응을 사용하여 산업 공정에 수반되는 중요한 오염 물질을 제거할 수 있습니다. 떠오르는 기질 중 하나는 바이오디젤 생산의 부산물인 글리세롤입니다[18]. 글리세롤은 화장품의 유용한 성분이지만, 재고를 적정 수준으로 유지하기 위해 고온에서 태워야 할 정도로 과잉이 많다. 쉽게 제거할 수 있는 수소 원자를 포함하기 때문에 글리세롤은 H의 기질로 사용할 수 있습니다.2 근자외선 조명에서 단순한 벤조페논 유도체를 증감제로 사용하는 생성 [19](그림 2). 실제로, 수 퍼센트 이상의 농도로 글리세롤과 적절한 환원 촉매(예: 콜로이드성 Pt)를 함유한 수용액에서 수용성 벤조페논 유도체를 조명하면 H2 세대. 대부분의 수소 원자는 이러한 방식으로 글리세롤에서 추출되어 수집 가능한 H로 전환될 수 있습니다.2. 이러한 벤조페논계 증감제는 무독성으로 치과용 충전재의 UV 개시제 및 에멀젼 페인트의 활성제로 사용되며 가격이 저렴합니다. 물론 이 과정에서 파괴되지만 자유 라디칼 주기 동안 다른 카르보닐 화합물이 생성되기 때문에 전반적인 반응은 자가 촉매적입니다. 또한, 최종 탄소 기반 잔류물은 무독성 시약으로 적절하게 저하되거나 초기 반응 혼합물에 암모니아를 첨가하여 조 비료로 전환될 수 있으며, 이는 탄소 골격에 고정됩니다. 수성 에탄올 또는 바이오매스와 같은 기타 폐기물 기질은 이러한 라인을 따라 고려될 수 있으며 H에 대한 기질로 사용될 수 있습니다.2 형성.

그림 2. 바이오디젤 제조 중 부산물로 생성되는 글리세롤의 광화학적 탈수소화에 대해 제안된 주기. 벤조페논 유도체(BP)는 왼쪽 하단에 표시되며, 여기서 R은 수용성 잔류물입니다.

1970년대 후반과 1980년대 초반에 발표된 무수히 많은 인공 광합성 시스템을 되돌아보면, 한 특정 시스템이 현재 논의와 특히 관련이 있는 것으로 눈에 띕니다[20]. 이 광계는 에탄올을 아세트알데히드와 H로 분해하기 위해 생물에서 영감을 받은 아이디어의 복잡한 혼합물을 사용합니다.2 주변 조건의 물에서(그림 3). 주요 구성 요소는 수용성 주석(IV) 포르피린(SnP)으로 엽록소를 대체하는 역할을 하며 해당 π-라디칼 음이온으로 쉽게 환원됩니다. 대부분의 메탈로포르피린[21]과 달리 SnP로부터 형성된 π-라디칼 음이온은 수용액에서 안정하고 불균등화에 대한 내성이 있으며 이는 시스템의 전체 안정성 측면에서 중요한 포인트입니다. 조명 하에서 SnP는 첨가된 NADH에 의해 환원되지만 생성된 π-라디칼 음이온은 메틸 비올로겐(MV 2+ )을 환원시켜 물을 H로 환원시키는 안정적인 모노-양이온 라디칼을 제공합니다.2 콜로이드성 Pt 촉매 표면에 이 전략은 NADH의 산화된 형태, 즉 NAD를 남기지만, 이 후자의 종은 알코올 탈수소효소(ADH)가 있는 상태에서 에탄올과 반응하여 H에 필요한 양성자를 제공합니다.2 진화. 부분적으로 SnP의 분해 생성물(예: 플로린 및 염소 유형 화합물)이 광화학 주기에 대한 증감제로 기능하기 때문에 pH의 변화가 없고 시스템이 장기간 조명 기간 동안 작동합니다. H에 대한 전체 양자 효율2 pH 7에서의 생산량은 55%이며 ​​태양 스펙트럼의 상당 부분이 수확됩니다. 또한 이 시스템은 물에 1% 부피의 에탄올만 사용하므로 증류 단계 후 바이오 연료 생산에서 잔류 에탄올을 추출하는 데 적용될 수 있습니다.

그림 3. 다양한 생물에서 영감을 받은 아이디어를 사용하여 에탄올을 탈수소화하는 데 사용되는 광화학 주기. (온라인 버전은 컬러로 제공됩니다.)

7. 광화학 물 분해

태양 연료 생산을 위한 이상적인 방법론은 주변 조건에서 물의 광화학적 해리를 기반으로 합니다. 이것은 사소하지 않은 작업으로 특히 여러 전자를 전달할 필요가 있기 때문에 더욱 어렵습니다. H만큼 불일치하는 문제도 있다.2 산성 용액에서 형성이 가장 쉬우나 O2 생성은 알칼리성 pH에서 더 잘 발생합니다. 물 분해에 필요한 에너지는 개별 전기화학 반응과 관련된 상당한 과전위를 극복해야 하기 때문에 높습니다. 실제로, 대략적으로 1갤런의 물을 분리하려면 약 25kW h의 입력이 필요합니다. 광화학 물 분해와 관련된 또 다른 문제는 부반응으로 들어갈 수 있는 몇 가지 중요한 중간체가 있어 전체 효율을 낮추는 역할을 한다는 것입니다. 이 후자의 문제는 전자 및/또는 정공이 최종 제품까지 순환을 진행하기 위해 촉매 부위에 고속으로 주입되는 것을 필요로 합니다. 여기서 주요 문제는 O와 관련이 있습니다.2 진화.

이 시점에서 과황산염 이온이나 트리에탄올아민과 같은 희생적 산화환원 시약의 사용을 피해야 함을 강조하는 것이 중요합니다. 전통적으로 [17], 이러한 시약은 H를 분리하는 데 사용되었습니다.2 또는 오2 진화. 그들은 매우 잘 작동하지만 중간 라디칼이 후속 화학에서 중요한 역할을 한다는 사실을 숨깁니다.2 또는 오2 수익률. 희생 시약을 가역적 산화환원 커플로 교체하면 반응 효율이 ​​크게 떨어지거나 반응이 완전히 중단됩니다. 실제로 O의 경우는 거의 없습니다.2 가역적 산화환원 셔틀이 관련된 물에서 진화. 이러한 공정 중 가장 성공적인 것은 Fe 2+ /Fe 3+를 산화환원 쌍으로 사용하고[22], O를 허용합니다.2 적당한 양자 수율로 산성 용액에서 진행하는 진화(그림 4). 희생 시약이 촉매 성능을 최적화하는 데 도움이 된다고 오랫동안 주장되어 왔지만 실제로는 그렇지 않습니다. 희생적 산화환원 시약이 필요한 촉매 단계를 분리하는 데 사용된 수천 가지 예 중에서 소수만이 성공적으로 다음 단계로 진행되었습니다.

그림 4. 가역적 산화환원 커플을 사용하여 물에서 산소를 방출하는 데 사용되는 광화학 주기.

광자 입력과 관련하여 실제 집광 장치로 반도체에 의존하는 것 외에는 대안이 없는 것 같습니다. 아마도 유기 기반 태양 집중 장치와 통합하는 데 사용되었을 것입니다. The latter ensures an adequate supply of photons/electrons to the catalytic site. It seems appropriate to go one stage further and insist on coupling together two such units, rather than rely on a single unit with or without the ancillary solar concentrator. The main advantage of tandem units is that their individual properties can be tailored for particular purposes. Continuing along this line, it can be argued that water splitting can only be realized by way of two coupled photo-electrochemical steps, each performed at a specific electrode. Such a system is an upgrade of the original Fujishima–Honda photo-assisted electrolysis of water—this remains one of the most important observations in the field [7]. A prototype of this design was described recently by Mallouk and co-workers [23,24] and serves as a useful starting point for future discussion. It might also be mentioned that a molecular-based photo-electrochemical system was introduced [25] recently whereby prior reduction of an appended electron acceptor was used as a means by which to amplify the reduction potential of a nearby excited state. This system, being the first of its kind, functions as a crude harmonic generator to increase redox power (figure 5) and could have important applications for light-driven energy storage.

Figure 5. Scheme used for the photo-assisted electrolysis of a substrate (S) by a zinc porphyrin (ZnP) covalently attached to a polyoxometallate (POM). The approach requires prior reduction of the POM at an electrode surface. Illumination at ZnP causes a charge-shift reaction (csr) to occur and so generate a strongly reducing form of ZnP.

Regardless of the exact nature of the solar fuel, it is essential that any large-scale operation evolves O2 from water during the photochemical cycle [26]. This reaction involves the transfer of four electrons and liberates four protons consequently, the pH will decrease during illumination, thereby changing the chemical potential, unless there is a complementary light-driven process that uses these protons at the same rate. Several metal oxides are known to function as good anodes for O2 evolution and a critical comparison of such materials has been made under photochemical conditions [27]. The main results of this latter study are compiled in table 2. Unfortunately, most of the effective materials are based on very expensive and rare elements, although Co3영형4 stands out as being a useful alternative. Despite its involvement in natural oxygen evolution, MnO2 is a relatively poor catalyst for water oxidation under these conditions. This study does not address the mechanism of water oxidation, which might differ according to the type of oxide used as catalyst, but makes clear recommendations as to which materials are likely to work under illumination in any prototypic photo-electrochemical system. As such, we can identify IrO2, RuO2, Co3영형4 and (to a lesser extent!) Rh2영형3 and MnO2 as being suitable materials for the anode. It is important to note that these experiments were made at pH 5, rather than in alkaline solution where O2 evolution is more favoured thermodynamically. Other work with similar RuO2- and IrO2-based colloidal catalysts has stressed the importance of pH in terms of reaction kinetics and, in particular, the over-potential needed for water oxidation [28,29,30,31]. The need for a wide pH profile stems from the requirement to couple O2 evolution with fuel formation.

Table 2. Comparison of the observed rates and quantum efficiencies of O2 evolution observed for various metal oxide catalysts under photochemical conditions.

Of course, it is important to consider the physical state of the catalyst before reaching critical conclusions about which materials should be used in a large-scale practical system. Similar studies were carried out to assess the ability of hydrous metal oxides to function as good O2 evolving catalysts under photochemical conditions. Again, it was found [27] that IrO2N시간2O forms the most effective catalytic centres at pH 5, with RuO2N시간2O and MnO2N시간2O being less effective but still viable candidates for the anode (table 3). A point of interest with colloidal IrO2N시간2O is that the material possesses a clear blue colour, presumably due to intervalence charge-transfer transitions, that should favour detailed mechanistic investigations. Indeed, some preliminary work has been performed [30,31] under pulse radiolytic conditions to monitor the dynamics of hole injection into the colloid. It was found that the rate of the initial hole injection was sensitive to pH but always remained slow. Clearly, this step is going to be one of the rate-limiting issues in water oxidation, even allowing for the slow provision of holes at the catalytic site.

Table 3. Rates of O2 evolution using various metal oxide hydrates (NS 시간2O) as catalysts and the effect of heating the hydrate for 2 hours in air at a particular temperature.

The natural water oxidation catalyst found [32] in green plants is based on a tetrameric manganese cubane structure that shuttles between the +2 and +3 oxidation states. At present, it is beyond our capabilities to prepare an artificial analogue based on manganese, although considerable research has been expended on designing manganese porphyrins able to sample multiple redox states [33]. The situation with cobalt catalysts is much improved, and recent results indicate that an effective electrochemical catalyst for water oxidation can be engineered [34] from cobalt(II) phosphate. Thus, the cathode developed therein exhibits many elements of natural photosynthesis, including (i) its 현장에서 formation from Earth-abundant metal ions in aqueous solution, (ii) a potential route for self-repair, (iii) a carrier for protons in neutral water, and (iv) the generation of O2 at low over-potential at neutral pH, atmospheric pressure and room temperature. Furthermore, the new material has been interfaced [35] with light-harvesting semiconductors so as to develop devices capable of the solar-to-fuels conversion at an overall efficiency of 4.7 per cent for a wired configuration and 2.5 per cent for a wireless configuration when illuminated with 1 sun (100 mW cm −2 ) of air mass 1.5 simulated sunlight. These cells consist of a triple junction, amorphous silicon photovoltaic interfaced to a NiMoZn H2-evolving catalyst and the above-mentioned oxygen-evolving catalyst (figure 6). The devices described here are able to realize the desired solar-driven water-splitting reaction at reasonable efficiency and hold considerable promise for the future, provided the systems can be increased in scale from laboratory demonstration models to practical entities.

Figure 6. Illustration of the system developed by Nocera . for the photochemical splitting of water. The cathode is fabricated from a Ni mesh coated with a NiMoZn H2-evolving catalyst. The photoanode is prepared from a stainless steel band coated with Si in contact with an indium-tin-oxide (ITO) layer. Oxygen evolution occurs at a selective catalyst prepared from cobalt phosphate. (온라인 버전은 컬러로 제공됩니다.)

Fujishima and Honda reported [7] the first example of the UV photo-assisted electrolysis of water using a platinized TiO2 electrode in 1972 and more efficient multi-junction photoelectrodes have been developed subsequently [36,37,38]. More recently, Mallouk and co-workers reported a system (figure 7) that uses visible light to split water into hydrogen and oxygen assisted by a small applied voltage [23]. Their system uses the above IrO2N시간2O cluster as the water oxidation catalyst, together with a Pt cathode. The photochemical reaction centre comprises a TiO2 film impregnated with a ruthenium(II) poly(pyridine) complex as sensitizer. The system is a hybrid between the Fujishima–Honda cell and the well-known Grätzel-type dye-injection solar cell. The low quantum efficiency of approximately 1 per cent is due to slow hole injection into the IrO2N시간2O nanoparticles from the oxidized dye. This reaction does not compete effectively with back electron transfer from TiO2 to the dye. However, further tuning is possible [24] and a viable prototype looks likely to emerge in the near future.

Figure 7. Illustration of the set-up used by Mallouk . for the photodissociation of water using IrO2 nanoparticles as the O2-evolving catalyst. The photoanode is a ruthenium(II) poly(pyridine), RuC, sensitized TiO2 electrode. (온라인 버전은 컬러로 제공됩니다.)

Catalysts for the reduction of water to H2 have been available for many decades [39], although most are based on expensive and rare metals such as Pt, Ru or Ir. These materials require small over-potentials but are not selective and tend to catalyse hydrogenation of any unsaturated organic matter present in the system. Suitable photocathodes for water reduction can be fabricated from stabilized Cu2O, and this p-type semiconductor is a promising material for the photo-assisted electrolysis of water [40]. A critical operating problem in this domain relates to the simultaneous presence of H2 and O2. This situation makes separation of the gases a difficult task and, because a catalyst is usually in the close vicinity, results in recombination reactions (i.e. a Groves type fuel cell). Molecular oxygen competes with protons for the solar-generated reducing equivalents and leads to corrosion of the materials. The search for highly effective catalysts that display excellent specificity for H2 evolution has included certain enzymes [41] that can be adhered to semiconductor electrodes. The enzymes can demonstrate high turnover numbers and good selectivity but most are poisoned by the presence of molecular oxygen. Recent research, however, has identified [42] certain hydrogenase strains able to tolerate a low pressure of O2.

The competing chemistry introduced by the presence of O2, together with the difficulty associated with the collection of H2 over a widespread area, has helped direct research towards other targets. Most notable among these is the photochemical reduction of O2 to hydrogen peroxide. The latter is a useful product provided it is generated at concentrations in excess of approximately 10 per cent by volume. Again, there are problems to identify selective catalysts, although Au nanoparticles look promising in this field. It is necessary to avoid the simultaneous presence of H2 그리고 H2영형2 because of catalysed chemical reactions, but rapid progress seems highly likely in the very near future. As with H2 liberation, enzyme catalysts are available to promote the key reduction step.

8. Carbon dioxide reduction

Solar-based production of organic chemicals by the reduction of CO2 is an increasingly important area that addresses global warming and fossil fuel shortages. A major advantage of this route is that CO2 can be converted to other energy-storing chemicals such as syngas, formic acid, methane, ethylene, methanol and dimethyl ether: an excellent review of the available directions for CO2 reduction has appeared recently [43]. In developing a viable strategy along this direction, it must be accepted that water is the sole reagent to be considered as the source of both electrons and protons. There are, in fact, many metal complexes able to reduce CO2 with low quantum efficiency under illumination in the presence of sacrificial reagents. Usually, these systems operate in anhydrous organic media, typically N,N-dimethylformamide, saturated with high concentrations of CO2. These conditions are not conducive to setting up a solar fuels industry! On the other hand, natural photosynthesis does a fine job of the photochemical fixation of CO2 to carbohydrates under ambient conditions. This realization has led to the installation of large-scale facilities using microalgae to extract CO2 from effluent gases produced by essential industrial processes. Most notable in this area is the Secil process operating in Portugal that uses CO2 from cement manufacture as a feedstock for biomass production (see http://www.secil.pt/default_en.asp).

Major problems associated with the photochemical reduction of CO2, which is clearly the best way forward in terms of environmental protection, stem from the high over-potentials associated with most electrodes, poor selectivity because of competing H2 formation or O2 reduction, and low concentration of CO2 in the atmosphere. Nonetheless, certain semiconductors are known to display photocatalytic activity towards CO2 reduction in water, albeit with low quantum efficiencies. A recent breakthrough [44] in this field has seen the introduction of a tandem arrangement that couples an InP photocathode for CO2 reduction in water with a TiO2 photoanode for H2O oxidation (figure 8). Selectivity for the reduction of CO2 to formate is provided by coating the zinc-doped indium phosphide p-type photocathode with a ruthenium-based polymer, [Ru<4,40-di(1시간-pyrrolyl-3-propyl carbonate)-2,20-bipyridine>(CO)2], as the electrocatalyst. The efficiency for converting sunlight into chemical energy is only around 0.04 per cent but this is a promising start.

Figure 8. Tandem (or Z-scheme) photo-electrochemical approach used to reduce CO2 to formate in aqueous solution. The photoanode comprises band gap excitation of platinized TiO2, whereas the photocathode is a Zn-doped InP electrode coated with a polymeric ruthenium(II) complex. (온라인 버전은 컬러로 제공됩니다.)

While many attempts at the two-electron photoreduction of CO2 to CO or formic acid have been described in the literature, little success has been achieved in regards to the six-electron reduction of CO2 to methanol. The complete reduction of CO2 to CH4 using water vapour as the source of hydrogen has been observed with wide-band-gap semiconductors such as TiO2 [45] or zinc orthogermantate (Zn2GeO4) nanostructures [46]. The latter material, which has a band gap of 4.5 eV, is a poor sensitizer for CH4 production but, in line with earlier reports concerning water cleavage on TiO2, performs better with co-deposits of Pt and RuO2. Even so, the amount of CH4 produced under UV illumination remains very small. Somewhat surprisingly, Bocarsly and co-workers [47] have found that the pyridinium cation and its substituted derivatives are effective homogeneous electrocatalysts for the aqueous multiple-electron, multiple-proton reduction of carbon dioxide to products such as formic acid, formaldehyde and methanol. Importantly, high faradaic yields for methanol have been observed at low over-potentials such that detailed mechanistic studies become possible [48]. In this aqueous system, the pyridinium cation functions as redox mediator and might pre-adsorb CO2 in the form of a carbamate. Its involvement in the reductive chemistry is critical. Furthermore, it was demonstrated that similar chemistry could be transferred to a photo-electrochemical set-up using a p-GaP semiconductor as the supplier of electrons. In this case, CO2 was reduced to methanol in water at pH 5.2 with near 100 per cent faradaic efficiency at under-potentials greater than 300 mV below the standard potential of −0.52 V versus saturated calomel electrode. Early work on optimization of the cell has produced sustained cathodic currents as high as 0.20 mA cm −2 with no applied bias. This intriguing system opens the way to sustainable photoreduction of CO2 and is one of the most significant breakthroughs to emerge in recent years.

9. Nitrogen fixation

Ammonia is essential for life, because it provides the nitrogen needed for building proteins and DNA, and because of its critical role as a fertilizer. It is considered that in excess of almost one billion tonnes of ammonia are formed each year via reduction of atmospheric nitrogen by nitrogenase enzymes. About the same amount is produced abiotically through the Haber–Bosch reaction, which is arguably the single most significant industrial process ever discovered. This artificial route to NH3 is energy intensive but necessary to sustain agriculture and human development. It is natural to consider developing photochemical routes to N2 fixation that might circumvent the Haber–Bosch process, possibly by incorporating some aspects of nitrogenases in the chemistry. Discovering an effective catalyst for the mild generation of NH3, either by direct reduction of N2 or its combination with H2, would be a tremendous advance over current technology and, by itself, could ensure stable future funding for artificial photosynthesis. Of course, this chemistry is exceedingly difficult.

It is generally considered that the abiotic fixation of N2 requires a Mo-based catalyst. Indeed, few catalytic cycles are known that will reduce N2 to NH3 under ambient conditions [49]. In one case, a single Mo(III) centre serves as catalyst [50], whereas a second system yields hydrazine as the primary product, which disproportionates into nitrogen and ammonia [51]. Quite separately, the radiolytic and UV-photochemical reduction of N2 to NH3 has been realized in aqueous solution using colloidal metal particles as catalyst [52]. In this case, the catalysts were far from selective for N2 reduction, with H2 evolution occurring in acidic solution, whereas the overall efficacy of the process was found to depend on the type of reducing radical. Nonetheless, this pioneering work provides encouragement for further exploratory research in this important area.

10. Conclusions and prospects

The supply of secure, clean, sustainable energy is a major scientific and technological challenge that must be solved within the next few decades in order to avoid catastrophic changes in society. There are related issues for national and economic security and environmental control that are likely to raise our urgency for seeking genuine solutions to the renewable energy problem. To overcome the technical problems associated with the development of a national solar fuels industry demands the identification of new protocols for the photochemical production of carbon-based fuels and for the recovery of CO2 from the atmosphere. The conversion of sunlight into chemical potential is based on the capture and conversion of solar energy, the liberation of molecular oxygen from water and the subsequent collection and storage of the fuel. In addition to concerns about cost-effectiveness of this basic strategy, it is necessary to accept that, relative to fossil fuel-derived energy, solar energy is diffuse and seasonal, at least in northern Europe. As such, materials costs must be kept very low and long-term storage is essential if we are to succeed in establishing a viable solar fuels industry on these shores.

Molecular-based artificial photosynthetic models have played important roles in the historical development of the field. There have been some hugely imaginative attempts to construct molecular analogues of both the natural light-harvesting antennae and the bacterial reaction centre complex. Although numerous photosystems have been set up that evolve H2 or O2 under illumination, there seems little likelihood that such approaches can be made practical. The same situation holds for reduction of atmospheric CO2 in the presence of molecular oxygen. By contrast, the photochemical dehydrogenation of waste materials is both viable and economical, provided adequate stocks of the waste compound are available and that the entire process is carried out locally. Equally promising is the development of practical outlets for light-induced heat storage. There can be little doubt that commercial outlets could be found along this route and that domestic heating could be delivered by such bioinspired strategies. The only remaining requisite here is to develop water-based systems using small molecular fragments such as ATP analogues.

Large-scale solar capture and conversion can be accomplished by making use of photovoltaic devices. The primary challenge here is to increase the cost-effectiveness for delivered solar electricity. Do we have sufficient sunlight in the UK to drive such technology? If not, is it possible to harvest solar energy from the desert and transport the generated electricity several thousands of miles to the UK? These are major issues but, in terms of solar fuel production, change nothing: there is still the critical need to develop effective and selective catalysts capable of water oxidation and fuel generation under ambient conditions. Other reports will focus attention on the cost of solar electricity but we have to recognize that storage is best achieved by way of fuel generation. The latter requires water oxidation to O2 at minimum over-potential and on a huge scale. What about the fuel?

The storage of sustainable energy in the form of chemical fuels (e.g. hydrocarbons and alcohols) by means of artificial photosynthesis using CO2 그리고 H2O should enable a CO2 neutral power generation infrastructure close to our present commitment to fossil fuels. This would require minimum disruption of our current machinery but demands the identification of selective and ultra-efficient catalysts. The on-site collection of gases over a wide area is problematical, as is the prior removal of O2 from the cell housing the cathode. In this respect, the conversion of O2 to HOOH looks to be the easiest option. The corresponding conversion of CO2 to HCOOH is more attractive, in many respects, but an order of magnitude more difficult to achieve. In terms of setting up a large-scale demonstration of solar fuel production, we could do worse that develop a robust protocol for local production of hydrogen peroxide. On a longer-term basis, the route to methanol production from CO2, no doubt this is a hazardous journey, has been opened by the concept of involving a pyridinium-based relay and this could be our most realistic target. Mimicking the role of the FeMo nitrogenases in N2 fixation might be a step too far at the moment but fundamental research in this area is needed desperately. A high fraction of worldwide energy supplies is diverted to the fixation of N2, a process that by itself is responsible for massive population growth, using established chemistry at high temperatures and pressures. The selective reduction of N2, probably the most stable diatomic molecule, to NH3 by protons and electrons at room temperature and atmospheric pressure remains a challenge for future generations.


Biological Transformation of Solar Energy

This chapter presents a description of a hypothetical solar energy conversion plant in which an algal culture pond, algal digester, and a thermal power generator are combined to transform solar energy into electrical power. Description, specifications, and cost estimates are provided for designing, maintaining, and operating each of the units. The cost of line power as a function of latitude and photosynthetic efficiency is estimated in the chapter. According to the data and information presented, the cost of line power in the lower latitudes of the earth would be from 15 –20 mills/kw.-hr. This compares with the estimated 16.7 mills/kw.-hr. For a fission plant of equivalent capacity, but is about three times the cost of present day thermal power in the U. S. By increasing the efficiency of the solar energy collecting ponds and improvements in digester design, power costs could be decreased to the extent that solar energy would compare favorably in cost with other sources of energy in special areas of the world.


Ask An Engineer

“Imagine a straight-line, one-hill roller coaster. It’s boring to ride, but it’s a useful example,” says Aaron Johnson, a PhD student in aeronautics and astronautics. If you start your ride at ground level, the first challenge is getting the coaster to the top of the hill. This takes energy, so you expend what you need against gravity and friction to get the coaster to the top. When the coaster crests the hill, all of the energy you have just expended against gravity is now stored as potential energy — though exactly how much depends on the height of the hill and the weight of the cars and passengers.

In an ideal world, Johnson says, a perfectly efficient energy collector on a frictionless coaster in a vacuum should be able to harness that potential energy and convert it to enough kinetic energy on the way down to drive you up a hill of exactly the same height. But in the real world, energy collection is more complicated. Much of the potential energy you have just gathered is going to scatter. Friction generates heat energy in the track and wheels, and drag buffets the cars and passengers, heating them and the air around them and dissipating more of your energy. This dispersion means realizing all of your potential is nearly impossible.

Interestingly, not all of this energy needs to be completely lost — whether it’s from a roller coaster or any other moving vehicle. One way to collect some of the energy that dissipates from moving vehicles is through something called regenerative braking, as used in hybrid cars such as the Toyota Prius. Regenerative brakes use energy normally lost to heat and friction during braking to charge batteries that power the car. “It works, but you’re never going to get enough energy to bring you back up the hill again,” says Johnson. “You’ve lost some of it to heat, plus the regenerative braking process isn’t 100 percent efficient.” (In Pittsburgh, engineers recently created just such a demonstration coaster and used the collected energy to power a display of amusement park lights.)

Another approach is to add a turbine to the coaster to collect wind energy. Airplanes do this. In an emergency, such as a power failure, a plane drops a so-called ram air turbine from a hatch. The turbine collects wind energy to power hydraulics and critical instruments. “It’s very inefficient, so it’s usually only for emergency use,” says Johnson.

While no solution is perfect, regenerative brakes and turbines are constantly being reworked and redesigned to become more efficient. For instance, in turbines, the shape and twist of the blade matters. “There’s a lot of people trying to design the most efficient blade possible,” says Johnson.


Is it possible to biologically convert potential energy to chemical energy? - 생물학

동화 경로는 더 단순한 것에서 복잡한 분자를 합성하기 위해 에너지 입력을 필요로 합니다. CO에서 설탕 합성2 한 예입니다. Other examples are the synthesis of large proteins from amino acid building blocks, and the synthesis of new DNA strands from nucleic acid building blocks. These biosynthetic processes are critical to the life of the cell, take place constantly, and demand energy provided by ATP and other high-energy molecules like NADH (nicotinamide adenine dinucleotide) and NADPH (Figure 1).

ATP는 세포가 항상 충분한 공급을 유지하는 데 중요한 분자입니다. The breakdown of sugars illustrates how a single molecule of glucose can store enough energy to make a great deal of ATP, 36 to 38 molecules. 이것은 이화 작용 경로입니다. Catabolic pathways involve the degradation (or breakdown) of complex molecules into simpler ones. Molecular energy stored in the bonds of complex molecules is released in catabolic pathways and harvested in such a way that it can be used to produce ATP. Other energy-storing molecules, such as fats, are also broken down through similar catabolic reactions to release energy and make ATP (Figure 1).

Figure 1. Anabolic pathways are those that require energy to synthesize larger molecules. Catabolic pathways are those that generate energy by breaking down larger molecules. 세포의 에너지 균형을 유지하려면 두 가지 경로가 모두 필요합니다.

It is important to know that the chemical reactions of metabolic pathways don’t take place spontaneously. 각 반응 단계는 효소라고 하는 단백질에 의해 촉진되거나 촉진됩니다. 효소는 에너지를 필요로 하는 반응과 에너지를 방출하는 반응 등 모든 유형의 생물학적 반응을 촉매하는 데 중요합니다.


Chemical Energy to Thermal Energy Examples

1. Coal is burned at a power plant. The chemical energy released as the coal is burned heats water and turns it into steam. The chemical energy causes the liquid water molecules to move faster increasing their thermal energy.

2. Gasoline is burned in a car engine. As the gas burns, small explosions release heat or thermal energy which makes the pistons move so the car go.

3. A furnace burns natural gas in a chemical reaction. As the natural gas burns, heat is released causing air molecules to move faster. The temperature of the air increases because they have more thermal energy which is used to heat a house.

4. Hand warmers used for hunting operate by chemical reaction. When the contents of the bag are mixed together, a chemical reaction causes chemical bonds to break releasing energy. This energy causes the thermal energy of the solution inside the bag to increase and we feel heat to warm our hands.

5. A butane torch burns butane gas. As the chemical bonds are broken during the reaction, heat is released. The heat is used to increase the thermal energy of a metal which melts and is used to weld pipes together.


Is it possible to biologically convert potential energy to chemical energy? - 생물학

UCB chemistry professors James McCusker and Charles Shank, who is also the director of Berkeley Lab, along with graduate student Alvin Yeh, co-authored a paper in the August 11 issue of the journal Science in which they described a time-resolved spectroscopic study that followed the evolution of a photo-induced charge-transfer state in an inorganic chromophore. Their findings show, for the first time, two distinct factors that contribute to this evolution one which is strongly influenced by the chromophore's immediate surroundings, and the other which is influenced only by the molecule's internal electronic structure.

A TYPICAL SOLAR CELL CONSISTS OF A COVER GLASS WITH AN ANTI-REFLECTIVE LAYER, A FRONT CONTACT TO ALLOW ELECTRONS INTO A CIRCUIT AND A BACK CONTACT TO ALLOW THEM TO COMPLETE THE CIRCUIT, AND THE SEMICONDUCTOR LAYERS WHERE PHOTO-INDUCED CHARGE TRANSFER PROCESSES TAKE PLACE.
Image courtesy Dept. of Energy

"Although this work is very fundamental in nature, it suggests that medium-induced charge localization could be an important component of photo-induced charge transfer in a variety of settings that employ inorganic compounds as chromophores," says McCusker. "Since this is the necessary first step in almost any scheme one can come up with to convert light into usable energy, we believe that our results will help shape the way people think about this aspect of the problem."

In the process of photo-induced charge transfer, incident light upon a molecule redistributes electron density to create the chemical potential necessary for energy conversion. This process is central to a wide range of physical and chemical phenomena including photosynthesis in plants, and also forms the basis of the photovoltaic effect in semiconductors.

"Prior to our work, very little was known concerning the dynamics of photo-induced charge-transfer in inorganic chromophores," McCusker says. "But its only been within the last 10 years or so that the study of processes on such short time-scales has been experimentally accessible."

Understanding the dynamics behind photo-induced charge-transfer in inorganic chromophores is especially important for certain classes of solar cells where light absorption by dye-sensitized wide-bandgap semiconductors such as titanium oxide forms the basis for photoelectric conversion. Recently there has been considerable interest "both theoretically and experimentally" McCusker says, in the "dynamics of solvation." That is, scientists want to know what happens when the effects of incident light upon the chromophore and the dynamics of its nearby molecular neighbors take place on a comparable time-scale.

In their Science paper, McCusker, Shank, and Yeh report their observations of the factors that contributed to the formation of a charge-transfer state following the absorption of light by an inorganic chromophore in solution on a time-scale of less than one trillionth of a second. A chromophore known as [Ru(bpy) 3 ] 2+ , which is the prototype for the most widely used inorganic chromophores in sensitized solar cells, was photoexcited with flashes of light that were a mere 25 femtoseconds in duration. (A femtosecond is to one second what one second is to roughly 30 million years.) The chromophore's absorption of this light was then monitored as a function of time.

"Analysis of the data revealed that the excited electron is initially delocalized over all three bpy ligands, but eventually becomes trapped on a single ligand due to the rapid motion of the molecules in the surrounding solvent which occurs in response to the charge-transfer event," says McCusker. "In contrast, electronic relaxation from the initial excited state of the compound to lower energy states appears to occur independent of this charge localization process."

Whether or not the intramolecular effects of photoexcitation are totally independent of the environmental effects when it comes to localizing the charge-transfer is still not clear, the scientists report, but the identification of solvation dynamics as having a role to play answers some long-standing questions about the dynamics of charge-transfer states in inorganic chromophores. The researchers say it is possible that the surrounding medium might also play a similar role in localizing or directing charge-transfer states in the organic chromophores of biological systems.

"In this circumstance, the nearby residues within the proteins would act in much the same way as the solvent does in our experiment," says McCusker. "We have no evidence that this is the case, but it's interesting to think about."


Fact or Fiction?: Energy Can Neither Be Created Nor Destroyed

The conservation of energy is an absolute law, and yet it seems to fly in the face of things we observe every day. Sparks create a fire, which generates heat&mdashmanifest energy that wasn&rsquot there before. A battery produces power. A nuclear bomb creates an explosion. Each of these situations, however, is simply a case of energy changing form. Even the seemingly paradoxical dark energy causing the universe&rsquos expansion to accelerate, we will see, obeys this rule.

The law of conservation of energy, also known as the first law of thermodynamics, states that the energy of a closed system must remain constant&mdashit can neither increase nor decrease without interference from outside. The universe itself is a closed system, so the total amount of energy in existence has always been the same. The forms that energy takes, however, are constantly changing.

Potential and kinetic energy are two of the most basic forms, familiar from high school physics class: Gravitational potential is the stored energy of a boulder pushed up a hill, poised to roll down. Kinetic energy is the energy of its motion when it starts rolling. The sum of these is called mechanical energy. The heat in a hot object is the mechanical energy of its atoms and molecules in motion. In the 19th century physicists realized that the heat produced by a moving machine was the machine&rsquos gross mechanical energy converted into the microscopic mechanical energy of atoms. Chemical energy is another form of potential energy stored in molecular chemical bonds. It is this energy, stockpiled in your bodily cells, that allows you to run and jump. Other forms of energy include electromagnetic energy, or light, and nuclear energy&mdashthe potential energy of the nuclear forces in atoms. There are many more. Even mass is a form of energy, as Albert Einstein&rsquos famous E = mc 2 showed.

Fire is a conversion of chemical energy into thermal and electromagnetic energy via a chemical reaction that combines the molecules in fuel (wood, say) with oxygen from the air to create water and carbon dioxide. It releases energy in the form of heat and light. A battery converts chemical energy into electrical energy. A nuclear bomb converts nuclear energy into thermal, electromagnetic and kinetic energy.

As scientists have better understood the forms of energy, they have revealed new ways for energy to convert from one form to another. When physicists first formulated quantum theory they realized that an electron in an atom can jump from one energy level to another, giving off or absorbing light. In 1924 Niels Bohr, Hans Kramers, and John Slater proposed that these quantum jumps temporarily violated energy conservation. According to the physicists, each quantum jump would liberate or absorb energy, and only on average would energy be conserved.

Einstein objected fervently to the idea that quantum mechanics defied energy conservation. And it turns out he was right. After physicists refined quantum mechanics a few years later, scientists understood that although the energy of each electron might fluctuate in a probabilistic haze, the total energy of the electron and its radiation remained constant at every moment of the process. Energy was conserved.

Modern cosmology has offered up new riddles in energy conservation. We now know that the universe is expanding at a faster and faster rate&mdashpropelled by something scientists call dark energy. This is thought to be the intrinsic energy per cubic centimeter of empty space. But if the universe is a closed system with a finite amount of energy, how can it spawn more empty space, which must contain more intrinsic energy, without creating additional energy?

It turns out that in Einstein&rsquos theory of general relativity, regions of space with positive energy actually push space outward. As space expands, it releases stored up gravitational potential energy, which converts into the intrinsic energy that fills the newly created volume. So even the expansion of the universe is controlled by the law of energy conservation.

저자 소개

Clara Moskowitz ~이다 사이언티픽 아메리칸's senior editor covering space and physics. She has a bachelor's degree in astronomy and physics from Wesleyan University and a graduate degree in science journalism from the University of California, Santa Cruz.



코멘트:

  1. Agilberht

    Bravo, 나에게 보이는 것은 훌륭한 문구입니다

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