Энциклопедический словарь нанотехнологий - искусственный фотосинтез

Термин на английском

artificial photosynthesisСинонимы

Аббревиатуры

Связанные термины

биомиметика, биомиметические наноматериалы, наноэлектроника, супрамолекулярная фотохимия, супрамолекулярная химия, хлорофиллОпределение

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].

• Еремин Вадим Владимирович, д.ф.-м.н.

Разделы

Элементы солнечной энергетики