Doğadan ilham, yapay fotosentez devrimi

Bilim insanları, bitkilerin fotosentez yeteneğinden ilham alarak temiz enerji üretimini daha verimli hale getirecek yeni teknolojiler geliştiriyor. Bu teknolojilerden birisi olan yapay fotosentez, düşük girdisiyle yüksek verim elde edebilen temiz enerji üreten bir sistemdir.¹

Bilim adamları günümüzde fosil yakıtlara olan bağlılığı azaltmak ve değişen iklim koşullarına engel olabilmek adına bitkilerin ışığı enerjiye dönüştürme sürecini taklit edip üretim yapmak için yeni sürdürülebilir sistemler geliştirilmekte. Bunlardan biri ise bitkilerden ilham alınarak geliştirilen yapay fotosentez sistemleridir. Bilim insanları için şimdiye kadar organik yapılar gibi yapay fotosentez sistemleri geliştirmek önemli ihtiyaçlardan biriydi.²

Güneş ışığından hidrojen üretimi

Supramoleküler mühendislikle yürütülen ve yeni bir çalışma olarak adını duyuran biyomimetik hidrojeller doğadaki fotosentez süreçlerini taklit eden ve enerji üretimini geliştirmeye yardımcı olan malzemelerdir.² Doğadaki fotosentez süreci, bitkiler ve bazı mikroorganizmalar tarafından güneş ışığının kimyasal enerjiye dönüştürülmesiyle gerçekleşir. Bu süreçte CO₂ emilir ve oksijen serbest bırakılırken, güneş ışığını enerji taşıyıcı moleküller olan ATP ve NADPH’ye dönüştürülür. Yapay fotosentez ise bu doğal süreci taklit ederek, ışık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürmeyi amaçlar. Yapay fotosentezde kullanılan biyomimetik hidrojeller, bitkilerin fotosentez süreçlerinden esinlenilerek tasarlanmıştır. Özellikle bahsi geçen yeni biyomimetik hidrojel malzemeleri, güneş ışığını bitkilere kıyasla daha verimli bir şekilde yakalayarak enerji dönüşüm sürecini hızlandırmakta ve bu sayede güneş enerjisinin daha etkin bir şekilde kullanılmasını sağlamaktadır.

Yapay fotosentez sistemlerinde, özellikle rodamin B (RhB) bazlı bileşikler kullanılarak ışık enerjisi emilir ve uyarılan elektronlar, hidrojen gazı (H₂) üretmek için yönlendirilir. Günümüzde hidrojenin önemi, hidrojenin yakılması sırasında yalnızca su buharı açığa çıkarmasından kaynaklanmaktadır. Dahası bu malzemeler sadece enerji üretimiyle sınırlı kalmayıp CO₂ gibi sera gazlarını da faydalı kimyasallara dönüştürebilmektedir. Bu özellik, yapay fotosentez teknolojisinin iklim değişikliğiyle mücadelede önemli bir araç olabileceğini göstermektedir.⁴

Hidrojen üretim verimi artıyor

Yapay fotosentez için Japonya İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü Tokyo Üniversitesi’nde yapılan bir diğer araştırma bu teknolojilerin verimliliğini artırmaya yönelik stratejilerden oluşuyor. Bu araştırmalar rutenyum kompleksleri ve platin nanopartikülleri gibi işlevsel moleküller, biyomimetik hidrojellerin katalitik aktivitesini artırmak için kullanılmaktadır. Rutenyum kompleksleri, hidrojen üretimi gibi reaksiyonları hızlandırmak için etkili elektrokatalizörler olarak görev yapar ve aynı zamanda suyun fotokatalitik ayrıştırılması ve hidrojen üretimi için kritik rol oynamaktadır. Platin nanopartikülleri; yüksek verimli katalizörler olarak, hidrojen üretimi süreçlerinde önemli bir yere sahiptir. Platin suyun ayrıştırılmasında düşük enerji gereksinimleri ile yüksek verim sağlayan bir malzeme olarak kullanılmaktadır. Biyomimetik hidrojellerin yapısı bu işlevsel moleküllerin su ile etkileşimini optimize ederek daha fazla kimyasal enerji üretilmesini sağlar.^1,3

Fosil yakıtların çevresel etkilerinin giderek artması ve iklim üzerinde yaratmış olduğu olumsuzluklar daha fazla hissedilmektedir. Bu olumsuzlukların giderilmesi için yapay fotosentez teknolojileri ile birlikte biyomimetik hidrojeller güneş ışığını daha verimli bir şekilde enerjiye dönüştürerek hidrojen üretimi sağlamakta ve temiz enerjiye erişimi kolaylaştırarak sıfır emisyonlu enerji üretiminin önünü açmaktadır. Fotosentez süreçlerinin taklit edilmesi geleceğin enerji çözümlerine ve sürdürülebilir bir dünyaya doğru katkı sağlayacağı düşünülmektedir.⁴

Kaynaklar

1. Phys.org. (2024, November 20). Bioinspired hydrogels harness sunlight for clean hydrogen production.
2. Phys.org. (2024, December 12). Artificial photosynthesis brings nature’s solar hydrogen closer to reality.
3. Hagiwara, R., Yoshida, R., & Okeyoshi, K. (2024). Bioinspired hydrogels: polymeric designs towards artificial photosynthesis. Chemical Communications, 60(91), 13314-13324.
4. Bu, S. H., Cho, W., Ham, G., Yang, B., Jung, J., Cha, H., & Park, C. (2025). Supramolecular Reconstruction of Self‐Assembling Photosensitizers for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Evolution. Angewandte Chemie International Edition, 64(4), e202416114.