Mula sa Sikat ng Araw tungo sa Gatong: Pinangungunahan ni Prof. Ong Wee Jun ang Pagsusulong ng Malaysia sa Artipisyal na Potosintesis

Naging pambansang misyon sa enerhiya ang tanong ng isang bata

Noong nag-aaral pa si Ong Wee Jun sa Year 4 at pinag-aaralan ang potosintesis, nagtanong siya ng isang payak na bagay: maaari bang gamitin ang sikat ng araw, gaya ng ginagawa ng mga halaman, upang patakbuhin ang makabagong pamumuhay? Naging gawain na niya sa buhay ang usisang iyon. Hinahabol ngayon ng Malaysianong siyentista ang parehong prinsipyo gamit ang mga kasangkapan mula sa nanoscience at catalysis, at iniimbak ang sikat ng araw sa mga ugnayang kemikal ng malilinis na gatong.

Si Prof. Dr. Ong ay Assistant Dean sa Xiamen University Malaysia at founding director ng Centre of Excellence for NaNo Energy & Catalysis Technology, na kilala bilang CONNECT. Nagdidisenyo siya at ang kanyang pangkat ng mga artipisyal na dahon na gumagaya sa mahahalagang hakbang ng potosintesis. Gumagamit ang kanilang mga aparato ng mga ininhinyerong nanomateryal sa halip na chlorophyll upang makagawa ng mga molekulang mayaman sa enerhiya.

Sinasaliksik ng CONNECT ang paggawa ng hydrogen mula sa tubig, methanol at iba pang kemikal mula sa CO2, at gatong mula sa basurang plastik. Kabilang sa pangmatagalang bisyon ang mga modular na sakahan ng hydrogen na pinatatakbo ng araw at makapagbibigay ng enerhiya sa mga komunidad sa kanayunan, upang maiugnay ang makabagong agham sa pang-araw-araw na pangangailangan.

Ano talaga ang ginagawa ng artipisyal na potosintesis

Gumagamit ang artipisyal na potosintesis ng mga materyal na sumisipsip ng liwanag at mga catalyst upang gawing enerhiyang kemikal ang sikat ng araw. Sumisipsip ng mga photon ang aparato, lumilikha ng mga gumagalaw na karga, at ginagamit ang mga ito upang hatiin ang tubig o bawasan ang carbon dioxide. Ang nalilikhang gatong ay maaaring itago, dalhin at gamitin kapag hindi sumisikat ang araw.

Sa paghahati ng tubig, naglalabas ng oxygen ang isang reaksiyon at lumilikha naman ng hydrogen ang isa pa. Nagbibigay ng enerhiya ang mga semiconductor habang pinabababa ng mga catalyst ang hadlang sa bawat reaksiyon. Nagiging tagapagdala ng enerhiya ang hydrogen para sa mga fuel cell at malinis na sangkap sa paggawa ng ammonia, bakal at mga produktong pinoproseso sa pagpino.

Sinusunod din ng paggawa ng gatong mula sa CO2 ang parehong paraan. Itinuturo ng mga pinasadyang catalyst ang mga electron upang gawing carbon monoxide, formic acid o methanol ang CO2. Maaaring powdered photocatalyst, photoelectrochemical cell na may mga electrode na sumisipsip ng liwanag, o electrocatalytic system na pinatatakbo ng nababagong kuryente ang mga aparato. Iisa ang layunin: matatag na operasyon na may mataas na kahusayan at makatwirang gastos.

Mula sa mga tuklas sa laboratoryo tungo sa mga tunay na proyekto sa Malaysia

Iniuugnay ng CONNECT ang pagtuklas sa aktuwal na paggamit sa pamamagitan ng pakikipagtulungan sa industriya at pamahalaan. Noong Agosto 2024, inanunsyo ng Xiamen University Malaysia na tumanggap si Prof. Ong ng grant mula sa PETRONAS Academia Collaboration Dialogue na nagkakahalaga ng mahigit RM1 milyon. Layunin ng proyekto na gumamit ng artipisyal na potosintesis na pinatatakbo ng araw upang gawing mahahalagang kemikal ang CO2 mula sa pagsusunog ng sobrang gas sa mga pasilidad ng gas sa kalupaan, at direktang tugunan ang pinagmumulan ng emisyon mula sa industriya.

Pumili ang programa ng PETRONAS ng 61 proyekto mula sa 588 aplikante sa 25 unibersidad. Para sa CONNECT, pinalalakas nito ang hanay ng mga proyektong kinabibilangan ng prototype ng sistemang mula sikat ng araw tungo sa hydrogen na target matapos sa kalagitnaan ng 2026, mga catalyst na idinisenyo upang bawasan ang greenhouse gases, at mga paraang ginagawang graphene at berdeng hydrogen ang basura mula sa palm oil. Iisa ang prinsipyong nag-uugnay sa mga pagsisikap na ito: ilipat ang mga nanocatalyst na nangangako mula sa kontroladong mga pagsusuri sa laboratoryo tungo sa matitibay na aparatong gumagana sa ilalim ng bukas na kalangitan.

Paano gumagana ang agham sa loob ng mga catalyst na ito

Nakasandig ang artipisyal na potosintesis sa tatlong haligi: mga materyal na sumisipsip ng liwanag, mga estrukturang nagpapanatiling magkahiwalay ang mga karga, at mga catalytic site na nagpapabilis at pumipili sa mga reaksiyon. Itinatayo ng pananaliksik ng CONNECT ang mga haliging ito sa pamamagitan ng kombinasyon ng mga two-dimensional na materyal, matatalinong junction at mga surface site na sagana sa kalikasan.

Mga two-dimensional na materyal at heterostructure

Nagbibigay ang mga two-dimensional na materyal, mula sa mga sapin ng carbon na tulad ng graphene hanggang sa transition metal dichalcogenides, ng napakanipis na mga daanan para sa mga karga. Lumilikha ng malawak na interface ang pagpapatong ng isang 2D sheet sa ibabaw ng isa pa, kung saan mahusay na naghihiwalay ang mga electron at hole. Sa pagpili ng mga pares na may mga antas ng band energy na angkop sa paghahati ng tubig o pagbawas ng CO2, pinatataas ng mga heterostructure na 2D sa 2D ang kahusayan nang hindi umaasa sa mga elementong bibihira.

Z scheme at S scheme na daloy ng karga

Gumagamit ang likas na potosintesis ng dalawang hakbang na dulot ng liwanag, na madalas iguhit na hugis Z, upang makalikha ng mga kargang may mataas na enerhiya. Ginagaya ng mga artipisyal na aparato ang lohikang ito sa mga disenyong Z scheme at S scheme. Magkakaugnay ang dalawang sumisipsip ng liwanag upang manatili lamang ang pinakamalalakas na electron na nagpapababa at hole na nag-o-oxidize, habang nagkakansela ang mas mahihinang karga. Pinahuhusay ng pagpapanatili sa mga pinakaaktibong karga ang mahihirap na reaksiyon at nakatutulong upang pigilan ang mga hindi kanais-nais na proseso.

Mga metal carbide at MXene

Pinagsasama ng mga transition metal carbide, kabilang ang MXene, ang mataas na conductivity at mga nababagong surface. Maaari silang magsilbing sumisipsip ng liwanag o cocatalyst, mga pantulong sa surface na nagpapabilis sa mahahalagang hakbang at gumagabay sa pagpili ng produkto. Ginagawa ang MXene sa pamamagitan ng pag-ukit sa mga patong-patong na paunang materyal upang makalikha ng mga conductive sheet. Naaapektuhan ng mga pangkat sa kanilang surface, na itinatakda ng paraan ng synthesis, kung gaano kahusay silang sumipsip ng mga molekula at maglipat ng mga karga. Mahalaga ito sa matatag at mahusay na paggawa ng solar fuel.

Mula basura tungo sa yaman sa tulong ng liwanag at matalinong kimika

Nagbibigay ng kaginhawahan ang plastik ngunit nagdudulot din ito ng hamon sa pamamahala ng basura. Tinutugunan ng photo- at electrocatalytic upcycling ang problema sa pamamagitan ng nakatuong kimika. Sa ilalim ng liwanag o nababagong kuryente, kayang hatiin ng mga catalyst ang mahahabang polymer chain at gawing kapaki-pakinabang na mga molekula gaya ng formate, acetate, alcohol o hydrogen. Ipinapares din ng CONNECT ang paraang ito sa mga residu mula sa agrikultura. Naglalabas ang sektor ng palm oil sa Malaysia ng mga basurang mayaman sa carbon na maaaring gawing graphene at berdeng hydrogen. Iniulat ng grupo na mayroon itong patent na may kaugnayan sa paggawa ng graphene at hydrogen mula sa biomethane, na nagpapakita kung paano maaaring gawing sangkap sa paggawa ng materyal at enerhiya ang mga daluyan ng basura.

Paglikha ng hydrogen mula sa tubig: mula laboratoryo tungo sa aktuwal na pagsubok

Parang payak ang paggawa ng hydrogen gamit ang sikat ng araw, ngunit mahirap itong maisama sa sistemang gagana sa labas. Kailangang mahusay na makuha ng aparato ang liwanag, hatiin ang tubig, panatilihing magkahiwalay ang hydrogen at oxygen, at makayanan ang ilang buwang init, ulan at alikabok. Gumagawa ang CONNECT ng mas malaking prototype upang subukan ito sa mga kondisyon sa labas, at target nitong makumpleto sa kalagitnaan ng 2026 ang gumaganang yunit na gagawa ng hydrogen mula sa sikat ng araw sa pamamagitan ng pagsasama ng photocatalysis at photoelectrochemistry.

Dalawang usapin ang karaniwang nangingibabaw sa pagpapalawak ng produksyon. Kailangang tumaas ang kahusayan, na sinusukat bilang kahusayan ng pag-convert ng sikat ng araw tungo sa hydrogen, habang nananatiling abot-kaya ang mga materyal. Itinuturing ng maraming eksperto na praktikal na hangganan ang 10 porsiyento, bagaman nag-iiba ang mga gastos depende sa lugar. Ang isa pang pagsubok ay tibay. Maaaring masira ang mga catalyst kapag nalantad sa oxygen at matinding liwanag. May chloride ang tubig-dagat na maaaring magdulot ng kaagnasan at pagbuo ng chlorine. Tinutugunan ito ng mga pangkat sa pamamagitan ng mga pananggalang na patong, piling lamad at mga kondisyon ng reaksiyon na pumapabor lamang sa hydrogen at oxygen.

Bakit mahalaga ito para sa Malaysia at sa rehiyon

Layunin ng Malaysia na makamit ang net zero emissions pagsapit ng 2050, na mangangailangan ng mga bagong malinis na gatong at mas matalinong paggamit ng carbon. Kaugnay ng ilang pambansang prayoridad ang artipisyal na potosintesis. Makapagbibigay ng reserbang enerhiya ang hydrogen para sa mga nababagong pinagkukunan at makababawas ng emisyon sa industriya. Ang paggawa ng mga sangkap mula sa CO2 na nagmumula sa pagsusunog ng sobrang gas o sa mga daloy ng proseso ay lumilikha ng halaga mula sa basura. Nababawasan ng pagproseso sa basurang plastik at biomass ang pasanin sa mga tambakan at pag-asa sa inaangkat na fossil fuel. Maaaring tumulong ang mga modular na yunit na ginagawang gatong ang sikat ng araw sa mga paaralan, klinika at maliliit na negosyo sa malalayong lugar kung saan mabagal ang pagpapalawak ng grid.

Pinabibilis ng pakikipagtulungan, talento at mga digital na kasangkapan ang pag-unlad

Isinusulong ng CONNECT ang gawain sa pakikipagtulungan sa PETRONAS Research at mga pambansang programa sa teknolohiya, at sa pagsasama-sama ng mga kasanayan sa kimika, materyal, inhinyeriya at data science. Tumutulong ang density functional theory at machine learning na salain ang libo-libong posibleng catalyst bago gumawa ng iilan sa laboratoryo, kaya nakatitipid ng oras at gastos. Gumagabay si Prof. Ong sa dumaraming pangkat ng mga postgradweyt at postdoctoral na mananaliksik. Binibigyang-diin ng mga pagkilalang gaya ng Highly Cited Researcher at World's Top 2 percent Scientist list ang epekto ng gawain, ngunit nananatiling praktikal ang layunin: mga aparatong maaasahang gumagawa ng malilinis na gatong sa mga kondisyon sa Malaysia.

Mga hamong nananatili

Malamang na makadagdag, hindi pumalit, ang artipisyal na potosintesis sa lumalaking produksyon ng berdeng hydrogen mula sa mga electrolyzer. Kabilang pa rin sa mga hakbang tungo sa malawakang paggamit ang pagpapataas ng kahusayan, pagpapahusay ng tibay, pagpapababa ng gastos sa mga pansuportang sistema at pagdidisenyo ng ligtas na paghawak sa gas. Madalas na nagiging halo-halong produkto ang mga nalilikha sa pag-convert ng CO2 at kailangang paghiwa-hiwalayin. Nangangailangan ang pagproseso sa basurang plastik ng pare-parehong kalidad ng materyal at mga catalyst na piling tumutugon. Magbibigay ng datos mula sa aktuwal na paggamit ang prototype sa 2026 at ang proyekto ng PETRONAS, na tutulong magpasya kung saan pinakamainam na babagay ang teknolohiyang ito sa paglipat ng bansa tungo sa malinis na enerhiya.

Mahahalagang punto

• Pinamumunuan ni Prof. Dr. Ong Wee Jun ang CONNECT sa Xiamen University Malaysia, na nakatuon sa artipisyal na potosintesis at nanocatalysis.
• Gumagawa ang kanyang pangkat ng hydrogen mula sa tubig, methanol at iba pang produkto mula sa CO2, at pagproseso sa plastik gamit ang liwanag o kuryente.
• Sinusuportahan ng grant ng PETRONAS na mahigit RM1 milyon (Agosto 2024) ang paggawa, gamit ang sikat ng araw, ng mga produkto mula sa CO2 na inilalabas sa pagsusunog ng sobrang gas sa mga pasilidad ng gas sa kalupaan.
• Target sa kalagitnaan ng 2026 ang prototype ng sistemang gumagawa ng hydrogen mula sa sikat ng araw upang subukan ang operasyon sa labas sa Malaysia.
• Kabilang sa mga kasangkapan sa pananaliksik ang mga two-dimensional na heterostructure, daloy ng karga na Z scheme at mga metal carbide gaya ng MXene.
• Tinutugunan ng mga proyektong gumagawa ng hydrogen mula sa tubig-dagat ang kaagnasang dulot ng chloride at ang pagpili ng mga produkto upang maiwasan ang chlorine.
• Pinabibilis ng pakikipagtulungan sa industriya at paggamit ng density functional theory at machine learning ang pagtuklas ng mga catalyst.
• Nakaayon ang gawain sa layunin ng Malaysia na makamit ang net zero pagsapit ng 2050 at maaari itong makatulong sa pag-access sa enerhiya sa kanayunan.