פיתוח פוטוסנסיבקובלהלאיים עבור הייצור הסולארית H2 הפקה בתנאים אירובי מימית
5 באוקטובר 2019
יש לנו משולבים ישירות צבע אורגני מבוסס העצם לתוך ליבת הקובלני כדי ליצור פוטוסנסיקטאז צמד-catalyst עבור פוטוקטליטי H2 הייצור. פיתחנו גם התקנה ניסיונית פשוטה להערכת הייצור H2 המונעת על ידי photocatalytic הרכבות.
כאן, אנו מפתחים מערכת פוטו-קלטתית שיכולה לייצר מימן ממים, תוך שימוש במים כמקור פרוטון. שנית, ברצוננו לייצב את המערכת במצב אירובי מלא. התוכנית של המערכת שלנו מבוססת על ביולוגיה.
ביולוגיה משתמשת גם בפקיסטמים, שם היא קוצרת אנרגיה סולארית כדי לייצר אנרגיה כימית. אנחנו הולכים לחקות את המערכת הזאת ברקע סינטטי. כאן, המערכת שלנו תהיה מורכבת משלושה חלקים חשובים.
ראשית, יהיה פוטוסנסיטייזר, שלא יהיה אלא צבע אורגני פשוט. שנית, יהיה זרז מבוסס קובלט שיפיק מימן בפרוטון. והחלק החשוב השלישי של כל המולקולה ההיברידית הזאת יהיה מקשר, אשר יהיה חיבור מערכת התמונות ואת הזרז.
מקשר זה יהיה הרחבה של המולקולה האורגנית, אשר יהיה רק מוטיב פירידין אשר יהיה עיגון עם מקשר קובלוקסימה. כל הקטע הניסיוני מחולק לשלושה חלקים. הראשון הוא הליך סינטטי של המתחם.
השני הוא האפיון של המתחם. השלישי הוא היישום של קומפלקס זה לייצור מימן תחת אור השמש בתנאים אירוביים. ראשית אנו מתחילים את הסינתזה של קובלוקסים.
בהתחלה אנחנו לוקחים את האצטון. לאחר מכן אנו מוסיפים את dimethylglyoxime אליו, ולהמיס אותו, באמצעות ערבוב. מצד שני, אנחנו לוקחים פתרון מים של קובלט כלורט.
הפתרון המימי של קובלט כלורט נוסף dropwise לפתרון אצטון של דימתילגליוקסים. בהתחלה הפתרון יהיה כחול, שיהפוך לאט לאט לירוק כחול. ואז הפתרון היה מסונן לאחר שעתיים של התגובה, ואת הסינון נשמר בארבע מעלות צל"ש במשך הלילה.
ואז השגנו משקעים בצבע ירוק. בשלב השני של הסינתזה אנחנו הולכים להשתמש cobaloxime סינתזה בשלב הראשון. כאן, אנחנו הולכים להשתמש בצבע פוטוסנסיטייזר שלנו, אשר למעשה יש מקשר פירידין כי הוא הולך להוסיף קובלוקסימה במצב אקסיאלי.
בשלב השני של הסינתזה, ראשית אנו לוקחים פתרון מתכתי של קובלוקסים שלנו, שהוא ירוק בצבע. לאחר מכן אנו מוסיפים שווה ערך אחד של בסיס טריאתילאמין אליו, אשר לאט לשנות את צבע הפתרון חום, וזה יהיה פתרון צבע חום שקוף. לאחר מכן, אנו מוסיפים שווה ערך אחד של צבע פוטוסנסיטייזר לתוכו, ולאחר מכן מערבבים את הפתרון במשך שלוש שעות.
אחרי חצי שעה התחלנו לראות משקע שיוצא מהפתרון. אנחנו מוציאים את המשקע הזה אחרי שלוש שעות של ניסוי באמצעות סינון של נייר מסנן "מהמן 40". לאחר מכן, המשקע נשטף במתנול קר.
לאחר מכן, המשקע נאסף בצורת פתרון על ידי הוספת כלורופורם אליו. הפתרון בצבע חום שהשגנו בשלב זה התאדה לאט בטמפרטורת החדר כדי להשיג את המוצר בצבע חום של קומפלקס היברידי פוטוסנסיטר-קובלוקסים. אז, בחלק האפיון, פיזרנו לראשונה את המתחם ב- DMSO deuterated, וקיבלנו את ספקטרום הפרוטון של המתחם.
אז, הנה ספקטרום פרוטון. האזור העליפטי מורכב משני סוגים של פרוטונים:12 פרוטונים מדימתילגליוקסים, ושישה פרוטונים של פוטונסטיזר. האזור הארומטי אחראי בעיקר לצבע PS, ושני הפרוטונים של דימתילגליוקסים.
כאן, אנו מדגישים אזור ארומטי, שבו כל הפרוטונים מוקצים בהתאם. לאחר מכן, עשינו את הספקטרוסקופיה האופטית של המתחם שלנו. דיללנו באופן סדרתי את המתחם עד 20 מיקרומולרים, ולאחר מכן הקלטנו את הספקטרום האופטי שלו בספקטרופוטומטר UV זה.
אם נבדוק את ספקטרום ה-UV, נוכל לראות שיש שתי להקות חשובות שנכנסות למתחם. ראשית, באזור UV אנו רואים להקה כי הוא אולי מן המעבר pi-כוכב pi. ושנית, רצועה אחת באזור הנראה לעין שהיא למעבר LMC.
אם נשווה את זה עם חומר ההתחלה של פוטוסנסיטייזר ואת קומפלקס קובלוקסים אנו יכולים לראות את הפסגות האלה אנו רואים עבור המתחם ההיברידי שלנו שונה בבירור מהחומרים ההתחלתיים. כאן, הלכנו הקריסטל היחיד של קומפלקס היברידי photocatalyst-cobaloxime שלנו, מתספורת כלורופורם. ואז, אנחנו לפזר אותו, גביש בצבע חום זה, כך גביש אחד יצא diffractometer.
המבנה שהשגנו ממפזר הגביש הבודד, אנו יכולים לראות בבירור את קומפלקס קובלוקסימה קושר את הפונסניטייזר דרך מקשר הפירידין האקסיאלי. מרחק הקשר קובלט וחנקן פירידין קישור כאן הוא 1.965 אנגסטרום, אשר דומה מאוד קומפלקס אנלוגי של צנצנת דומה. ביצענו את האלקטרוכימיה של המערכת ההיברידית קובלט-פוטוסנסיטייזר במנגנון אלקטרודות סטנדרטי.
האלקטרודה הראשונה היא האלקטרודה העובדת, שהיא רק אלקטרודה של דיסק פחמן מזכוכית ברדיוס של מילימטר אחד. אלקטרודה זו של דיסק פחמן מזכוכית הייתה מלוטשת ביסודיות עם אבקת אלומיניום 125 מיקרון, ונשטפה במים מיונים לפני שהיא משמשת. לאחר מכן, הוא הורכב במערכת שלוש אלקטרודה יחד עם האלקטרודה התייחסות כלוריד כסף כסף, פלטינה, או אלקטרודה נגדית.
לאחר מכן, הפתרון היה degassed עם חנקן, לפני הניסוי בפועל. לאחר מכן, הקלטנו את voltammogram רכיבה על אופניים של המתחם שלנו. ראשית, התחלנו בפתרון DMF.
התחלנו את הסריקה מהאזור האנודי, ולאט לאט עברנו לאזור הקטודי. ואנחנו רואים כמה פסגות סטואיכומטריות. לאחר מכן, כאשר אנו מוסיפים מים לפתרון, אחד השיא הקטודי עולה בעוצמה.
זה כנראה בגלל ייצור המימן במרכז הזה. אשר אושר מאוחר יותר, כאשר הוספנו חומצה באותו פתרון, והזרם הזה הולך להגדיל עוד יותר. אז זה מראה בבירור כי בנוכחות מים, קומפלקס קובלט, בנוכחות פוטוסנסיטייזר, יכול להיות פעיל לייצור מימן.
קומפלקס זה נחקר לייצור מימן פוטו-קטיתי תחת אור שמש אידיאלי ובתנאים אירוביים. במערכת סגורה יש לנו מתחם היברידי רגישות-קובלט מומס במים DMF 7H23, עם תורם אלקטרונים הקרבה נוסף. המערכת הסגורה הזו הייתה מחוברת לגלאי מימן, כדי שנוכל לפקח על מימן מהפתרון באופן רציף.
ראינו צמיחה מתמשכת במימן בהתקנה זו, כאשר היברידית זרז PS נחשף לאור השמש. הצטברות המימן הייתה רציפה, ולא הבחין בתקופת השהיה. יש לנו עוד אישר היווצרות של מימן באמצעות כרומטרוגרפיה גז, או GC, ניסוי.
אספנו את גז חלל הראש באמצעות מזרק, והזרקנו את זה בג'י.סי. זהות המימן בGC אושרה, על ידי ניסוי משלים עם שליטה והזרקה ריקה. כאן, סינתזנו מודל מוצלח, שבו כללנו את מערכת התמונות ואת הזרז יחד באותה מולקולה.
המנגנון הכולל של התגובה אולי להתחיל מן העירור של פוטוסנסיטייזר. לאן זה לוקח את אור השמש, ו להגיע למצב הנרגש. במצב הנרגש, הוא מאבד את האלקטרון.
לאחר שהוא מאבד את האלקטרון, הוא הופך להיות יון טעון באופן חיובי, אשר לוקח אלקטרון מתורם אלקטרון ההקרבה לבוא למצב הקרקע שוב. מצד שני, האלקטרון המשוחרר כנראה נסע דרך הקישור לזרז. במערכת הזרז, ברגע שהוא מקבל את האלקטרון, זה הולך למצב מופחת.
ובמדינה המופחתת, היא מגיבה בפרוטון כדי לייצר את המימן, כדי להשלים את מחזור הקטליזה. בפרויקט זה, פיתחנו בהצלחה מערכת היברידית זרז רגישות-קובלט, שיכול לייצר מימן ישירות מהמים. וייצור המימן הזה קורה ברציפות במשך שעה אחת, ללא כל תקופת השהיה.
והמערכת המלאה הזו יציבה ופעילה בתנאים אירוביים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מתמקד בפיתוח מערכת פוטוקטליטית המדמה מערכות פוטוביולוגיות לייצור מימן ממים. המערכת משלבת צבע אורגני מבוסס סטילבן בתוך גרעין קובלוקסימה (cobaloxime), ובכך יוצרת דיאד של פוטו-סנסיטיזר-קטליזטור לייצור יעיל של H2 באופן פוטוקטליטי.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- פוטוקטליזה
- ייצור מימן
- מערכות ביומימטיות
רקע
- מימן הוא מקור אנרגיה נקי.
- מערכות ביולוגיות ממירות אנרגיה סולארית לאנרגיה כימית ביעילות.
- פיתוח מערכות סינתטיות יכול לשפר את ייצור המימן.
- ייצוב מערכות פוטוקטליטיות בתנאים אירוביים הוא קריטי.
מטרת המחקר
- ליצור מערכת פוטוקטליטית לייצור מימן ממים.
- לייצב את המערכת בתנאים אירוביים מלאים.
- לחקות מערכות פוטו-ביולוגיות בהקשר סינתטי.
שיטות בשימוש
- שילוב של צבע אורגני בליבה של קובלוקסימה (cobaloxime).
- פיתוח מערך ניסיוני פשוט לצורך הערכה.
- בחינת ייצור מימן המונחה על ידי אור.
- שימוש במים כמקור פרוטונים במערכת.
תוצאות עיקריות
- שילוב מוצלח של הצבע האורגני במערכת הפוטוקטליטית.
- הדגמה של ייצור מימן מונחה אור.
- השגת ייצוב של המערכת בתנאים אירוביים.
- ביצועי המערכת מדמים מערכות פוטוביולוגיות.
מסקנות
- המערכת שפותחה מבטיחה פוטנציאל לייצור בר-קיימא של מימן.
- חיקוי של תהליכים ביולוגיים יכול לשפר מערכות פוטוקטליטיות סינתטיות.
- אופטימיזציה נוספת עשויה להוביל ליעילות משופרת.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
עבודה זו מציגה מערכת פוטו-קטליטית ביו-מימטית המשלבת פוטו-סנסיטיזר וקטליזטור קובאלוקסימי להיבריד מולקולרי יחיד, המאפשר ייצור מימן ממים המונחה על ידי אנרגיית השמש בתנאים אירוביים. גישה זו נותנת מענה למגבלות מרכזיות ביצירת H2 פוטו-קטליטית, כגון חוסר יציבות והסתמכות על מקורות פרוטונים מסוכנים, על ידי חיקוי של מערכות פוטו-ביולוגיות. הדבר מספק בסיס לפיתוח טכנולוגיות בנות-קיימא וניתנות להרחבה לייצור מימן, הרלוונטיות ליוזמות אנרגיה נקייה בצינורות מו"פ תעשייתיים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מדגים אינטגרציה תפקודית של רכיבי קצירת אור ורכיבים קטליטיים במסגרת מולקולרית מאוחדת, התומכת בהפחתת סיכונים מכניסטיים של עיצובים פוטוקטליטיים.
- ערך תפעולי: מאפשר הערכה של יעילות העברת אלקטרונים ויציבות הקטליזטור תחת תנאים אירוביים רלוונטיים פיזיולוגית.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מספק קריאה כמותית של התפתחות מימן כתוצר ישיר של פעילות פוטוקטליטית, מה שמאפשר סטנדרטיזציה של הבדיקה.
- ערך תפעולי: מאפשר סריקה של תפוקה גבוהה (high-throughput screening) של שילובי פוטו-סנסטיזטור-זרז באמצעות זיהוי H2 מקוון תחת אור שמש מדמה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מבסס מודל מערכת רלוונטי למחלה לבחינת מחזורי קטליזה מונעי חמצון-חיזור בסביבות מימיות.
- ערך תפעולי: תומך בביטחון חיזוי במעבר של מערכות פוטוקטליטיות מקנה מידה של מעבדה לקנה מידה של פיילוט תחת תנאי סביבה.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline)
השיטה מציבה את התכנון ההיברידי המולקולרי כטכנולוגיה מאפשרת בשלב הגילוי המוקדם, שבו הבנה מכניסטית של קטליזה מונחית אור מנחה את פיתוח הבדיקות ותהליכי הסריקה השליביים.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בבדיקת היפותזות של נתיבי העברת אלקטרונים ומנגנוני חיזור פרוטונים במערכות פוטוקטליות היברידיות.
- סריקה: מאפשרת מוכנות של בדיקות באמצעות כימות הזרקטורי של מימן בתנאים אירוביים ומימיים.
- אנליטיקה: מספקת נתונים כמותיים בזמן אמת על ייצור H2 המאפשרים השוואה של יעילות קטליטית בין וריאנטים מולקולריים.
- מחקר תרגומי: מקשרת בין עיצוב מולקולרי לתוצר תפקודי בסביבות המדמות עקה חמצונית פיזיולוגית.
- שימוש חוזר בארגון: מבססת פלטפורמה מודולרית לשילוב של פוטו-סנסיטיזטורים וקטליזטורים מגוונים באמצעות ליגציה אקסיאלית, ובכך מקדמת את הישימות של הפרוטוקול בפרויקטים שונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי על ידי הדגמת מחזור קטליטי מתמשך בתנאי אוורוביקה, ובכך מפחית את אי-הוודאות המכניסטית.
- ערך תפעולי: משיג סטנדרטיזציה באמצעות מערכת פשוטה ואטומה התואמת לגילוי גזים מקוון, ובכך משפר את השחזוריות.
- ערך אסטרטגי: מפחית סיכון ביולוגי בשלב מאוחר על ידי תיקוף תפקוד הקטליזטור בנוכחות חמצן, המהווה מגבלה נפוצה בהרחבה לתעשייה.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף של פלטפורמות פוטוקטליטיות בהתאם לסיכון, בהתבסס על יציבות, תאימות למקור פרוטונים ותגובתיות לשמש.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בסינתזה אי-אורגנית, פוטופיזיקה וכרומטוגרפיית גזים לצורך תיקוף קטליטי ואנליטי.
- תלוי במכשור הכולל ספקטרומטרים מסוג UV-Vis, תחנות עבודה אלקטרוכימיות וגלאי מימן להערכת ביצועים.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית בין קבוצות הסינתזה, הפוטופיזיקה והאנליזה כדי להבטיח הכנה ובדיקה עקביות של הקומפלקס.
- כולל שיקולי התאמה בעת הרחבת התכנון ההיברי למצמדי תאורה (photosensitizers) או זרזים חלופיים, תוך שמירה על שלמות הקואורדינציה האקסית.
- כולל מגבלות מעשיות כגון תלות בתורמי אלקטרונים מסכריפיקליים ורגישות להרכב הממס, כפי שצוין לגבי התווכים המימיים/אורגניים המשמשים לבדיקה.
![צרקוספורין-פוטוזרז [4 + 1]-ו [4 + 2]-אוספים שנתיים של האזובחות בתנאים מתונים](/_next/image?url=https%3A%2F%2Fcloudfront.jove.com%2FCDNSource%2Fteasers%2F60786.jpg%3Fv%3D2026-07-04T08%253A08%253A27.000Z&w=384&q=75)
