Denne artikkelen er produsert og finansiert av Universitetet i Oslo - les mer.

Den naturlige fotosyntesen ikke alltid er så veldig effektiv. Når forskere etterligner den, prøver de å gjøre prosessene mye mer effektive.
Den naturlige fotosyntesen ikke alltid er så veldig effektiv. Når forskere etterligner den, prøver de å gjøre prosessene mye mer effektive.

Kunstig fotosyntese kan omdanne unyttig CO2 til nyttig maursyre

Med energi fra sola kan et enzym gå løs på CO2-molekylet. Det er langt fram, men dette kan både fjerne CO2 og forsyne industrien med maursyre.

Publisert

Plantenes fotosyntese er et av naturens mange underverk. Ved hjelp av energien fra sollyset omdannes karbondioksid (CO2) og vann til sukker og andre karbohydrater, samt oksygen.

Dette skjer gjennom en serie av kjemiske prosesser. Hva om vi kunne etterligne deler av eller hele fotosyntesen for å slippe ut mindre CO2 eller fange noe av det som svever rundt i lufta?

Over hele verden lar forskere seg inspirere av fotosyntesen. En av dem er kjemiker Kaiqi Xu ved Universitetet i Oslo.

– Vi vil bruke kunstig fotosyntese fordi den naturlige fotosyntesen ikke alltid er så veldig effektiv, sier Xu.

Det sier han ikke for å undergrave naturens eget kjemilaboratorium, men det er ikke tvil om at det er rom for forbedringer. For eksempel utnytter plantene bare 1 til 2 prosent av sollyset, ifølge Store norske leksikon. En silisiumsolcelle ligger mellom 15 og 24 prosent.

– Den naturlige fotosyntesen kan lage sukker av CO2 og vann. Vi vil få den til å lage noe som er mer nyttig, sier Xu.

Doktorgraden hans er et lite steg på veien mot det som kan bli en mulighet til å kontrollere CO2-nivået.

Kunstig fotosyntese

Kunstig fotosyntese er etterligning av prosesser i den naturlige fotosyntesen. Ved å kopiere deler av fotosyntesen kan prøver forskere å:

– Lagre solenergi i form av kjemiske bindinger i organiske molekyler.

– Få til en reduksjon av karbonmonoksid (CO) eller karbondioksid (CO2) drevet av lys.

– Spalte vann til hydrogen (H2) og oksygen (O2).


Kilde: Botanisk- og plantefysiologisk leksikon

Enzym fra virus eller bakterie

Xu har undersøkt et enzym som kan omdanne CO2 til maursyre, et stoff som brukes i flere former for industri.

Enzymer er en type proteiner som fungerer som katalysatorer i biologiske prosesser, både i kroppen din, i planter og overalt ellers. Disse har spesialisert seg på å drive frem helt bestemte reaksjoner.

Det finnes utallige forskjellige enzymer. Xu kaller sitt enzym en oksygentolerant format dehydrogenase, og det tilhører en gruppe som kalles FDH-enzymer.

– Enzymet vi bruker, blir produsert av bakterier eller virus, men jeg tror også noen forskere bruker FDH-enzymer direkte fra planter, sier Xu.

Under de rette omstendighetene kan Xus FDH-enzym gå løs på et CO2-molekyl og omdanne det til maursyre. Men til det trenger det energi.

Det samme som skjer i en solcelle

Energien skaffer han fra et nanorør laget av tantalnitrid, Ta3N5, der hvert molekyl består av tre atomer av grunnstoffet tantal og fem nitrogenatomer.

– Tantalnitrid er en halvleder med helt unike egenskaper. Den kan absorbere sollys og konvertere det til energi som kan brukes direkte av oss, forklarer Xu.

Kaiqi Xu håper forskningen hans i fremtiden kan bidra til CO2-fangst.
Kaiqi Xu håper forskningen hans i fremtiden kan bidra til CO2-fangst.

Når sollyset treffer tantalnitrid, sendes det ut en akkurat passe stor mengde energi. Det er det samme som skjer i en solcelle. Et elektron hopper ut, men der en solcelle vil ha elektronet over i strømkretsen, vil Xu at det skal drive de kjemiske reaksjonene i FDH-enzymet.

– Enzymet kan fange elektroner som er generert fra tantalnitridet og så gjennomføre reaksjonen, sier Xu.

Det er langt fra tilfeldig at det er tantalnitrid han bruker i forskningen sin.

– Tantalnitrid oppfyller mange av kravene for å utføre fotosyntese, sier Xu.

Blant annet fordi det har et båndgap på 2,1 elektronvolt. Båndgap er den energien som skal til for å få et elektron ut av grunntilstanden sin. 2,1 elektronvolt er nok energi til å drive hele den fotosyntetiske prosessen, inkludert energien som enzymet trenger til jobben sin.

– Da kan dette enzymet konvertere CO2 til maursyre, en sammensetning som er mer verdifull, sier Xu.

I tillegg til at vi kan bli kvitt litt CO2, selvfølgelig, som ikke er noen ulempe med tanke på klimaendringene.

Kan fange CO2

Xu lager veldig små rør med tantalnitrid. Så små at de er nede på nanonivå. Nano betyr milliarddel.

– Vi lager nanorør av tantalnitrid fordi rør har veldig stor overflate og dermed kan absorbere mer sollys.

Kanskje kan teknologien bidra til CO2-fangst, men det ligger langt frem.

– Hvis vi kan gjøre det til et syltynt lag, kan vi legge det på tak og vegger som da vil bidra til å fange CO2.

Maursyre

Maursyre er en kjemisk forbindelse med en stikkende og gjennomtrengende lukt. Den kjemiske formelen er HC(O)OH.

Maursyre brukes mye i landbruket, særlig ved produksjon av silofôr og rundballer.

Maursyre brukes i store mengder blant annet til fremstilling av beis eller til avkalkning av lær.


Kilde: Store norske leksikon

– Veldig mye vi ikke vet

Men det er altså veldig mye forskning som trengs før man kommer dit. Xus FDH-enzym har fortsatt mange hemmeligheter.

– Nå vet vi litt om dette enzymet, men det er fortsatt veldig mye vi ikke vet, sier han.

– Med enda bedre innsikt i enzymet, og hvis vi klarer å etterligne det, kan vi gjøre dette i større skala. Da kan det definitivt bidra til å kontrollere CO2-nivået.

– Hvis vi kan gjøre det enda mer effektivt, kan det også overgå plantenes bidrag.

Men dit er det langt.

– Definitivt, sier Xu.

Referanse:

Kaiqi Xu: Artificial photosynthesis – Advanced nanomaterials and use of biocatalysts for novel photoelectrochemical cells, Doktorgradsavhandlingen: Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo, 2020.