科学家开发出完全由太阳能驱动的自主化学微型工厂

Timothy Noël 教授和阿姆斯特丹大学范特霍夫分子科学研究所流动化学小组的同事开发了一种完全可运行的独立太阳能微型反应器，为在偏远地区生产精细化学品提供了潜力在地球上，甚至可能在火星上。在ChemSusChem发表的一篇论文中，该团队展示了他们独特的、完全离网的光化学系统。

Noël 教授表示，新系统能够以经济相关的数量合成药物和其他化学品，“在孤立的环境中闪耀，并允许精细化学品的生产分散化”。“微型植物基于光化学的概念，利用阳光直接‘推动’化学合成。我们采用光催化剂，一种化学物种照明时驱动合成，”Noël 继续说道。“通常使用强大的 LED 或其他照明设备进行照明，但我们选择使用阳光。首先，这使合成完全可持续。但它也可以在偏远地区实现独立操作。我们的梦想是看到我们的系统在月球或火星上的基地使用，在那里需要自我维持的系统来提供能量、食物和药品。我们的小型工厂可以以完全自主、独立的方式为此做出贡献。”

太阳能驱动的流动反应器

大约五年前，当时位于埃因霍温理工大学的 Noël 研究小组开发了一种“太阳能聚光器”，开始了小型工厂的开发。这本质上是一张带有微米级通道的透明塑料，化学合成发生在其中。通过添加专用染料，研究人员将塑料开发成太阳能导轨和发光转换器。它捕获阳光并将其导向通道，同时将大部分光转化为驱动化学转化的红色光子。

下一步是将浓缩器变成一个完全运行的流动反应器。“这意味着我们将起始材料和光催化剂的反应混合物泵入阳光照射的通道，”Noël 说。“所需的化学转化发生在这些通道中，因此它们实际上是我们对传统化学合成烧瓶或容器的替代品。” Noël 继续解释说，尽管通道非常小，但这种“流动反应器”可以产生非常相关的输出，因为它从日出到日落以连续方式运行。“更重要的是，”他补充说，“与使用传统的烧瓶反应器相比，通道的使用允许光和化学之间更有效的耦合。”

最高效率

Noël 研究小组已经通过合成一系列与医学相关的分子展示了太阳能流动反应器的概念，尽管是在受控环境中的实验室规模。现在，在他们最近发表在ChemSusChem 上的论文中，他们描述了他们如何开发出可行的、最有效的自主光合作用系统并将其用于现场测试。它们还提供了应用潜力和经济性能等方面的展望。

原型太阳能流反应器现在占地约 0.25 平方米。为了使其完全自主，研究人员为其配备了太阳能电池，为泵和控制系统等辅助设备提供电力。根据 Noël 的说法，这种太阳能电池以堆叠配置放置在流动反应器后面，以确保每平方厘米的效率最高。“反应器中使用能量更高的波长来驱动光催化剂。剩余的波长为 600-1100 nm 的光子被转化为电能以驱动助剂。”

全球应用潜力

完全自主的原型还采用了一个响应控制系统，可以优化不同光强度下的化学转化。“当云覆盖太阳时，化学转化率通常会迅速下降，”Noël 说。“我们的系统能够实时进行必要的调整。现场测试证实，即使在晴天和阴天混合的日子里，它也能够以恒定的速度生产化学物质。” 测试是在荷兰进行的。为了了解全球部署的可能性，我们使用挪威(北开普省)、西班牙(阿尔梅里亚)和澳大利亚(汤斯维尔)的太阳能数据进行了比较。Noël：“即使在太阳能量相对较少的北开普省，我们估计生产数据也令人满意。”

研究人员还将原型系统的性能与众所周知的玫瑰氧化物光化学合成的生产数据进行了比较。该香水工业产品是通过光化学方法工业化生产的，因为它比传统的化学合成更清洁、更高效。研究人员计算出，他们的系统需要非常小的表面积才能满足当前的年需求——仅 150 m 2就足够了。Noël：“那只是一个装满我们迷你工厂的工厂屋顶!系统成本将与当前的商业光合作用系统相似。但我们只需要太阳能，所以没有能源支出。所以这真的可以成为未来的可持续战略生产化学物质，如氧化玫瑰或药物。”

让墙壁制造化学品

Noël 认为，他的团队的研究驳斥了对太阳能化学技术潜力的任何怀疑：“我们证明，即使在荷兰，太阳能驱动的化学生产也有机会。你不必去卡塔尔!” 此外，该系统还适用于意外位置。“你甚至可以覆盖建筑物的外墙。当然，输出会比系统与太阳成最佳角度时相比要小。但这当然是可能的——而且如果让墙壁做成会很酷化学品!”

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