фотосинтез, искусственный (англ. artificial photosynthesis) — процесс конверсии световой энергии в химическую с использованием синтетических супрамолекулярных наноразмерных систем.

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: 1) искусственный фотосинтез с использованием донорно-акцепторных супрамолекулярных ансамблей и кластеров; 2) фотокаталитическое производство водорода; 3) 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: 1) из каких веществ — хромофоров, доноров, акцепторов — они должны состоять; 2) 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 (см. также супрамолекулярная фотохимия). 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.

Иллюстрации

Супрамолекулярная гексада, моделирующ

Супрамолекулярная гексада, моделирующая реакционный центр, соединенный с фотоантенной. Авторы: D. Gust, T. A. Moore, A. L. Moore, Arizona State University, США [2].


Автор

  • Еремин Вадим Владимирович

Источники

  1. Kamat Prashant V. Meeting the Clean Energy Demand: Nanostructure Architectures for Solar Energy // J. Phys. Chem. C. 2007. V. 111. P. 2834–2860.
  2. Gust D., Moore T. A., Moore A. L. Mimicking Photosynthetic Solar Energy Transduction // Acc. Chem. Res. 2001. V. 34. P. 40–48.
  3. Martin N., Sanchez L., Herranz M. A. et al. Electronic Communication in Tetrathiafulvalene (TTF)/C60 Systems: Toward Molecular Solar Energy Conversion Materials? // Acc. Chem. Res. 2007. V. 40. P. 1015–1024.

Напишите нам