Энциклопедический словарь нанотехнологий

ИСКУССТВЕННЫЙ ФОТОСИНТЕЗ

Термин
искусственный фотосинтез
Термин на английском
artificial photosynthesis
Синонимы
Аббревиатуры
Связанные термины
биомиметика, биомиметические наноматериалы, наноэлектроника, супрамолекулярная фотохимия, супрамолекулярная химия, хлорофилл
Определение
Процесс конверсии световой энергии в химическую с использованием синтетических супрамолекулярных наноразмерных систем.
Описание

Для устойчивого развития человечеству к 2050 году необходимо производить 10 ТВт «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]: 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 [2]. В природных фотосистемах параметры этих 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 решают 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. 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, то есть посредством нековалентных взаимодействий, либо с помощью ковалентных связей (рис. 1). 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.

Прогресс в области дизайна искусственных фотосистем оказывает взаимное влияние на работы в области молекулярной оптоэлектроники [3].

Авторы
  • Еремин Вадим Владимирович, д.ф.-м.н.
Ссылки
  1. Kamat Prashant V. Meeting the Clean Energy Demand: Nanostructure Architectures for Solar Energy //J. Phys. Chem. C. - v. 111, 2007 - 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. , Illescas B., Guldi D.M. Electronic Communication in Tetrathiafulvalene (TTF)/C60 Systems: Toward Molecular Solar Energy Conversion Materials?// Acc. Chem. Res. - 2007, v. 40 - P. 1015–1024.
Иллюстрации

Супрамолекулярная гексада, моделирующая реакционный центр, соединенный с фотоантенной.


Источник: Gust D., Moore T. A., Moore A. L. Mimicking Photosynthetic Solar Energy Transduction // Acc. Chem. Res. - 2001. v. 34 - p. 40–48.

Теги
Разделы
Элементы солнечной энергетики
(Источник: «Словарь основных нанотехнологических терминов РОСНАНО»)


Ещё