Artificial photosynthesis
કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણ એ એક રાસાયણિક પ્રક્રિયા છે જે સૂર્યપ્રકાશ, પાણી અને કાર્બન ડાયોક્સાઇડને કાર્બોહાઇડ્રેટ્સ અને ઓક્સિજનમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે પ્રકાશસંશ્લેષણની કુદરતી પ્રક્રિયાને બાયોમિમિક્સ કરે છે. કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણ શબ્દનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે બળતણ (સૌર બળતણ) ના રાસાયણિક બંધમાં સૂર્યપ્રકાશમાંથી ઊર્જા મેળવવા અને સંગ્રહિત કરવા માટેની કોઈપણ યોજનાનો સંદર્ભ આપવા માટે થાય છે. પ્રકાશ ઉત્પ્રેરક પાણીનું વિભાજન પાણીને હાઇડ્રોજન અને ઓક્સિજનમાં રૂપાંતરિત કરે છે અને તે કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણનો મુખ્ય સંશોધન વિષય છે. પ્રકાશ સંચાલિત કાર્બન ડાયોક્સાઇડ ઘટાડો એ અભ્યાસ કરવામાં આવેલી અન્ય પ્રક્રિયા છે જે કુદરતી કાર્બન સ્થિરીકરણની પ્રતિકૃતિ બનાવે છે. આ વિષય પરના સંશોધનમાં સૌર ઇંધણના સીધા ઉત્પાદન માટે ઉપકરણોની રચના અને એસેમ્બલી, ફોટોઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રી અને ઇંધણ કોષોમાં તેનો ઉપયોગ, અને માઇક્રોબાયલ બાયોફ્યુઅલ અને સૂર્યપ્રકાશમાંથી બાયોહાઇડ્રોજન ઉત્પાદન માટે ઉત્સેચકો અને ફોટોઆટોટ્રોફિક સુક્ષ્મસજીવોની ઇજનેરીનો સમાવેશ થાય છે. ઝાંખી પ્રકાશસંશ્લેષણ પ્રતિક્રિયાને ઓક્સિડેશન અને ઘટાડાની બે અર્ધ-પ્રતિક્રિયાઓમાં વિભાજિત કરી શકાય છે, જે બંને બળતણ ઉત્પન્ન કરવા માટે જરૂરી છે. છોડના પ્રકાશસંશ્લેષણમાં, પાણીના અણુઓને ઓક્સિજન અને પ્રોટોન છોડવા માટે ફોટો-ઓક્સિડાઇઝ્ડ કરવામાં આવે છે. છોડના પ્રકાશસંશ્લેષણનો બીજો તબક્કો (કેલ્વિન-બેન્સન ચક્ર તરીકે પણ ઓળખાય છે) એક પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રતિક્રિયા છે જે કાર્બન ડાયોક્સાઇડને ગ્લુકોઝ (બળતણ) માં રૂપાંતરિત કરે છે. કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણના સંશોધકો પ્રકાશ ઉત્પ્રેરક વિકસાવી રહ્યા છે જે આ બંને પ્રતિક્રિયાઓ કરવા માટે સક્ષમ છે. વધુમાં, પાણીના વિભાજનના પરિણામે પ્રોટોનનો ઉપયોગ હાઇડ્રોજનના ઉત્પાદન માટે થઈ શકે છે. આ ઉત્પ્રેરક ઝડપથી પ્રતિક્રિયા આપવા અને આકસ્મિક સૌર ફોટોનની મોટી ટકાવારીને શોષવા માટે સક્ષમ હોવા જોઈએ. જ્યારે ફોટોવોલ્ટેઇક સીધા સૂર્યપ્રકાશમાંથી ઊર્જા પ્રદાન કરી શકે છે, ત્યારે ફોટોવોલ્ટેઇક વીજળી (પરોક્ષ પ્રક્રિયા) માંથી બળતણ ઉત્પાદનની બિનકાર્યક્ષમતા અને આખો દિવસ સૂર્યપ્રકાશ સ્થિર ન રહે તે હકીકત તેના ઉપયોગની મર્યાદા નક્કી કરે છે. કુદરતી પ્રકાશસંશ્લેષણનો ઉપયોગ કરવાની એક રીત બાયોફ્યુઅલના ઉત્પાદન માટે છે, જે એક પરોક્ષ પ્રક્રિયા છે જે ઓછી ઊર્જા રૂપાંતરણ કાર્યક્ષમતા (સૂર્યપ્રકાશને બાયોમાસમાં રૂપાંતરિત કરવામાં પ્રકાશસંશ્લેષણની પોતાની ઓછી કાર્યક્ષમતાને કારણે), લણણી અને બળતણના પરિવહનનો ખર્ચ અને ખાદ્ય ઉત્પાદન માટે જમીનની વધતી જરૂરિયાતને કારણે સંઘર્ષોથી પીડાય છે. કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણનો હેતુ સૂર્યપ્રકાશમાંથી બળતણનું ઉત્પાદન કરવાનો છે જે સરળતાથી સંગ્રહિત કરી શકાય છે અને જ્યારે સૂર્યપ્રકાશ ઉપલબ્ધ ન હોય ત્યારે તેનો ઉપયોગ સીધી પ્રક્રિયાઓનો ઉપયોગ કરીને, એટલે કે સૌર બળતણનું ઉત્પાદન કરીને કરી શકાય છે. પ્રકાશસંશ્લેષણના મુખ્ય ભાગોનું પુનઃઉત્પાદન કરવામાં સક્ષમ ઉત્પ્રેરકના વિકાસ સાથે, સ્વચ્છ ઊર્જા ઉત્પન્ન કરવા માટે જરૂરી એકમાત્ર ઇનપુટ્સ આખરે પાણી, કાર્બન ડાયોક્સાઇડ અને સૂર્યપ્રકાશ હશે. એકમાત્ર ઉપ-ઉત્પાદન ઓક્સિજન હશે, અને સૌર ઇંધણનું ઉત્પાદન ગેસોલિન કરતાં સસ્તું થવાની સંભાવના ધરાવે છે. સ્વચ્છ અને પરવડે તેવી ઊર્જા પુરવઠાની રચના માટેની એક પ્રક્રિયા સૌર પ્રકાશ હેઠળ ફોટોકેટેલિટિક પાણીના વિભાજનનો વિકાસ છે. ટકાઉ હાઇડ્રોજન ઉત્પાદનની આ પદ્ધતિ વૈકલ્પિક ઊર્જા પ્રણાલીઓના વિકાસ માટેનો મુખ્ય ઉદ્દેશ છે. તે પાણીમાંથી હાઇડ્રોજન મેળવવાની સૌથી વધુ કાર્યક્ષમ રીતોમાંથી એક હોવાની પણ આગાહી કરવામાં આવી છે. ફોટોસેમિકન્ડક્ટર ઉત્પ્રેરક દ્વારા સહાયિત જળ-વિભાજન પ્રક્રિયા દ્વારા સૌર ઊર્જાનું હાઇડ્રોજનમાં રૂપાંતર એ વિકાસની સૌથી આશાસ્પદ તકનીકોમાંની એક છે. આ પ્રક્રિયામાં પર્યાવરણીય રીતે મજબૂત રીતે મોટા પ્રમાણમાં હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન થવાની સંભાવના છે. આજુબાજુની પરિસ્થિતિઓમાં સૌર ઊર્જાને સ્વચ્છ બળતણ (H2) માં રૂપાંતરિત કરવી એ એકવીસમી સદીમાં વૈજ્ઞાનિકો સામેના સૌથી મોટા પડકારોમાંથી એક છે. હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન માટે સૌર બળતણ કોષોના નિર્માણ માટે સામાન્ય રીતે બે પદ્ધતિઓને માન્યતા આપવામાં આવે છેઃ એક સજાતીય પ્રણાલી એવી છે કે ઉત્પ્રેરકનું વિભાજન થતું નથી, એટલે કે, ઘટકો એક જ ડબ્બામાં હાજર હોય છે. આનો અર્થ એ છે કે હાઇડ્રોજન અને ઓક્સિજન એક જ સ્થાને ઉત્પન્ન થાય છે. આ એક ખામી હોઈ શકે છે, કારણ કે તેઓ એક વિસ્ફોટક મિશ્રણ બનાવે છે, જે ગેસ ઉત્પાદનને અલગ કરવાની માંગ કરે છે. ઉપરાંત, તમામ ઘટકો લગભગ સમાન પરિસ્થિતિઓમાં સક્રિય હોવા જોઈએ (દા. ત., pH). વિજાતીય પ્રણાલીમાં બે અલગ ઇલેક્ટ્રોડ હોય છે, એક એનોડ અને એક કેથોડ, જે ઓક્સિજન અને હાઇડ્રોજન ઉત્પાદનને અલગ કરવાનું શક્ય બનાવે છે. વધુમાં, વિવિધ ઘટકોને સમાન પરિસ્થિતિઓમાં કામ કરવાની જરૂર નથી. જો કે, આ પ્રણાલીઓની વધતી જટિલતા તેમને વિકસાવવા માટે મુશ્કેલ અને વધુ ખર્ચાળ બનાવે છે. કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણમાં સંશોધનનું બીજું ક્ષેત્ર સૌર ઇંધણના ઉત્પાદન માટે પ્રકાશસંશ્લેષક સુક્ષ્મસજીવો, એટલે કે ગ્રીન માઇક્રોએલગી અને સાયનોબેક્ટેરિયાની પસંદગી અને હેરફેર છે. ઘણા પ્રકારો કુદરતી રીતે હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન કરવામાં સક્ષમ છે, અને વૈજ્ઞાનિકો તેમને સુધારવા માટે કામ કરી રહ્યા છે. બ્યુટેનોલ અને મિથેનોલ જેવા શેવાળના જૈવિક ઇંધણનું ઉત્પાદન પ્રયોગશાળા અને વ્યાપારી ધોરણે થાય છે. આ પદ્ધતિને કૃત્રિમ જીવવિજ્ઞાનના વિકાસથી ફાયદો થયો છે, જે જે. ક્રેગ વેન્ટર ઇન્સ્ટિટ્યૂટ દ્વારા જૈવ ઇંધણના ઉત્પાદનમાં સક્ષમ કૃત્રિમ જીવતંત્રનું ઉત્પાદન કરવા માટે પણ શોધ કરવામાં આવી રહી છે. 2017 માં, "સાયબોર્ગ બેક્ટેરિયા" નો ઉપયોગ કરીને કાર્બન ડાયોક્સાઇડમાંથી એસિટિક એસિડનું ઉત્પાદન કરવા માટે એક કાર્યક્ષમ પ્રક્રિયા વિકસાવવામાં આવી હતી. કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણની સૌપ્રથમ 1912 દરમિયાન ઇટાલિયન રસાયણશાસ્ત્રી ગિયાકોમો સિયામિશિયન દ્વારા ધારણા કરવામાં આવી હતી. એક વ્યાખ્યાનમાં જે પાછળથી સાયન્સમાં પ્રકાશિત થયું હતું, તેમણે અશ્મિભૂત ઇંધણના ઉપયોગમાંથી સૂર્ય દ્વારા પૂરી પાડવામાં આવતી અને તકનીકી ફોટોકેમિસ્ટ્રી ઉપકરણો દ્વારા કબજે કરવામાં આવેલી તેજસ્વી ઊર્જા તરફ વળવાનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો હતો. આ પરિવર્તનમાં તેમણે યુરોપના સમૃદ્ધ ઉત્તર અને ગરીબ દક્ષિણ વચ્ચેના તફાવતને ઘટાડવાની સંભાવના જોઈ અને અનુમાન લગાવ્યું કે કોલસાથી સૌર ઊર્જા તરફનું આ પરિવર્તન "પ્રગતિ અને માનવ સુખ માટે હાનિકારક નહીં હોય". 1960 ના દાયકાના અંત ભાગમાં, અકીરા ફુજીશિમાએ ટાઇટેનિયમ ડાયોક્સાઇડના પ્રકાશ ઉત્પ્રેરક ગુણધર્મોની શોધ કરી, જેને હોન્ડા-ફુજીશિમા અસર કહેવાય છે, જેનો ઉપયોગ હાઇડ્રોલિસિસ માટે થઈ શકે છે. વન પીસ મલ્ટીજંક્શન સેમિકન્ડક્ટર ડિવાઇસ (વિ. ટાઇટેનિયમ ડાયોક્સાઇડ સેમિકન્ડક્ટર્સ સાથે યુવી લાઇટ) સાથે દૃશ્યમાન હળવા પાણીનું વિભાજન સૌપ્રથમ 1983 દરમિયાન વિલિયમ આયર્સ દ્વારા એનર્જી કન્વર્ઝન ડિવાઇસીસ ખાતે દર્શાવવામાં આવ્યું હતું અને પેટન્ટ કરવામાં આવ્યું હતું. આ જૂથે હાઇડ્રોજન અને ઓક્સિજનમાં પાણીના ફોટોલિસિસનું પ્રદર્શન કર્યું હતું, જેને હવે "કૃત્રિમ પર્ણ" તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, જેમાં ઓછી કિંમતની, પાતળા ફિલ્મ આકારહીન સિલિકોન મલ્ટીજંક્શન શીટ સીધા પાણીમાં ડૂબી જાય છે. હાઇડ્રોજન વિવિધ ઉત્પ્રેરકથી સુશોભિત આગળના આકારહીન સિલિકોન સપાટી પર વિકસિત થયું જ્યારે ઓક્સિજન પાછળની બાજુના ધાતુના સબસ્ટ્રેટમાંથી વિકસિત થયો જેણે મિશ્ર હાઇડ્રોજન/ઓક્સિજન ગેસ ઉત્ક્રાંતિના જોખમને પણ દૂર કર્યું. ડૂબી ગયેલા ઉપકરણની ઉપરના પોલિમર પટલએ પ્રોટોન પરિવહન માટે માર્ગ પૂરો પાડ્યો હતો. દૃશ્યમાન પ્રકાશ સાથે મલ્ટીજંક્શન પાતળા ફિલ્મ ઉપકરણમાંથી ઉપલબ્ધ ઉચ્ચ ફોટોવોલ્ટેજ યુવી અથવા અન્ય સિંગલ જંકશન સેમિકન્ડક્ટર ફોટોઇલેક્ટ્રોડ્સ સાથેના અગાઉના ફોટોલિસિસ પ્રયાસો કરતાં મોટી પ્રગતિ હતી. જૂથની પેટન્ટમાં આકારહીન સિલિકોન ઉપરાંત અન્ય કેટલીક સેમિકન્ડક્ટર મલ્ટીજંક્શન રચનાઓની પણ યાદી છે. કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણ માટેનું સ્વીડિશ કન્સોર્ટિયમ, તેના પ્રકારનું પ્રથમ, 1994 દરમિયાન ત્રણ જુદી જુદી યુનિવર્સિટીઓ, લંડ, ઉપ્સાલા અને સ્ટોકહોમના જૂથો વચ્ચેના સહયોગ તરીકે સ્થાપવામાં આવ્યું હતું, જે હાલમાં લુંડ અને ઉપ્સાલામાં એંગસ્ટ્રોમ લેબોરેટરીઝની આસપાસ સક્રિય છે. આ સંઘ કુદરતી પ્રકાશસંશ્લેષણમાંથી શીખવા અને આ જ્ઞાનને બાયોમિમેટિક પ્રણાલીઓમાં લાગુ કરવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરવા માટે બહુશાખાકીય અભિગમ સાથે બનાવવામાં આવ્યો હતો. 21મી સદીની શરૂઆતમાં કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણના સંશોધનમાં તેજી આવી રહી છે. 2000 દરમિયાન, કોમનવેલ્થ સાયન્ટિફિક એન્ડ ઇન્ડસ્ટ્રિયલ રિસર્ચ ઓર્ગેનાઇઝેશન (CSIRO) ના સંશોધકોએ કાર્બન ડાયોક્સાઇડ કેપ્ચર અને તેના હાઇડ્રોકાર્બનમાં રૂપાંતર પર ભાર મૂકવાના તેમના ઉદ્દેશને જાહેર કર્યો. 2003 માં, બ્રુકહેવન નેશનલ લેબોરેટરીએ CO2 થી CO (સૌથી સરળ શક્ય કાર્બન ડાયોક્સાઇડ ઘટાડાની પ્રતિક્રિયા) ના ઘટાડાના મહત્વપૂર્ણ મધ્યવર્તી ભાગની શોધની જાહેરાત કરી હતી, જે વધુ સારા ઉત્પ્રેરકમાં પરિણમી શકે છે. જળ-વિભાજન ઉત્પ્રેરક માટે કૃત્રિમ પ્રણાલીઓનો એક ગેરલાભ એ છે કે રુથેનિયમ અથવા રેનીયમ જેવા દુર્લભ, મોંઘા તત્વો પર તેમની સામાન્ય નિર્ભરતા છે. 2008 દરમિયાન, યુનાઈટેડ સ્ટેટ્સ એર ફોર્સ ઓફિસ ઓફ સાયન્ટિફિક રિસર્ચના ભંડોળ સાથે, એમઆઇટીના રસાયણશાસ્ત્રી અને સોલર રિવોલ્યુશન પ્રોજેક્ટના ડિરેક્ટર ડેનિયલ જી. નોસેરા અને પોસ્ટડૉક્ટરલ ફેલો મેથ્યુ કાનને સસ્તા અને વધુ વિપુલ પ્રમાણમાં કોબાલ્ટ અને ફોસ્ફેટ ધરાવતા ઉત્પ્રેરકનો ઉપયોગ કરીને આ સમસ્યાને ટાળવાનો પ્રયાસ કર્યો હતો. ઉત્પ્રેરક સૂર્યપ્રકાશનો ઉપયોગ કરીને પાણીને ઓક્સિજન અને પ્રોટોનમાં વિભાજિત કરવામાં સક્ષમ હતું, અને સંભવિત રીતે પ્લેટિનમ જેવા હાઇડ્રોજન ગેસ ઉત્પન્ન કરતા ઉત્પ્રેરક સાથે જોડી શકાય છે. વધુમાં, જ્યારે ઉત્પ્રેરક ઉત્પ્રેરણ દરમિયાન તૂટી ગયું, તે સ્વ-સમારકામ કરી શકે છે. આ પ્રાયોગિક ઉત્પ્રેરક ડિઝાઇનને ઘણા સંશોધકો દ્વારા મોટો સુધારો માનવામાં આવ્યો હતો. જ્યારે CO એ CO2નું મુખ્ય ઘટાડાનું ઉત્પાદન છે, ત્યારે વધુ જટિલ કાર્બન સંયોજનો સામાન્ય રીતે ઇચ્છનીય હોય છે. 2008 દરમિયાન, એન્ડ્રુ બી. બોકર્સલીએ ખૂબ જ કાર્યક્ષમ ફોટોકેમિકલ કોષમાં સૌર ઊર્જાનો ઉપયોગ કરીને કાર્બન ડાયોક્સાઇડ અને પાણીનું મિથેનોલમાં સીધું રૂપાંતરણ નોંધાવ્યું હતું. જ્યારે નોસેરા અને સહકાર્યકરોએ ઓક્સિજન અને પ્રોટોનમાં પાણીનું વિભાજન પૂર્ણ કર્યું હતું, ત્યારે હાઇડ્રોજનનું ઉત્પાદન કરવા માટે પ્રકાશ સંચાલિત પ્રક્રિયા ઇચ્છનીય છે. 2009 દરમિયાન, લીબનીઝ ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ફોર કેટાલિસિસએ અહેવાલ આપ્યો હતો કે સસ્તા આયર્ન કાર્બોનિલ કોમ્પ્લેક્સ તે જ કરવા માટે સક્ષમ છે. તે જ વર્ષ દરમિયાન, યુનિવર્સિટી ઓફ ઇસ્ટ એંગ્લિયાના સંશોધકોએ 60 ટકા કાર્યક્ષમતા સાથે ફોટોઇલેક્ટ્રોકેમિકલ હાઇડ્રોજનનું ઉત્પાદન હાંસલ કરવા માટે આયર્ન કાર્બોનિલ સંયોજનોનો પણ ઉપયોગ કર્યો હતો, આ વખતે ઇન્ડિયમ ફોસ્ફાઇડના સ્તરોથી ઢંકાયેલા સોનાના ઇલેક્ટ્રોડનો ઉપયોગ કરીને, જેની સાથે આયર્ન સંકુલ જોડાયેલા હતા. આ બંને પ્રક્રિયાઓમાં મોલેક્યુલર અભિગમનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો, જ્યાં અલગ નેનોપાર્ટિકલ્સ ઉત્પ્રેરણ માટે જવાબદાર છે. 2009 દરમિયાન, એફ. ડેલ વાલે અને કે. ડોમેને ફોટોકેટાલિસ્ટ્સનો ઉપયોગ કરીને બંધ વાતાવરણમાં થર્મલ ટ્રીટમેન્ટની અસર દર્શાવી હતી. ઘન દ્રાવણ સૂર્યપ્રકાશના કિરણોત્સર્ગ હેઠળ પાણીના વિભાજનથી હાઇડ્રોજન ઉત્પાદનમાં ઉચ્ચ પ્રવૃત્તિનો અહેવાલ આપે છે. યુનિવર્સિટી ઓફ કેલિફોર્નિયા, સાન્ટા ક્રુઝના સંશોધકો દ્વારા 2010 દરમિયાન નાઇટ્રોજન-ડોપ્ડ અને કેડમિયમ સેલેનાઇડ ક્વોન્ટમ ડોટ્સ-સેન્સિટાઇઝ્ડ ટાઇટેનિયમ ડાયોક્સાઇડ નેનોપાર્ટિકલ્સ અને નેનોવાયર બંનેનો ઉપયોગ કરીને મિશ્ર વિજાતીય/પરમાણુ અભિગમથી પણ ફોટોપ્રોડ્યુસ્ડ હાઇડ્રોજન મળ્યું હતું. કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણ ઘણા વર્ષો સુધી એક શૈક્ષણિક ક્ષેત્ર રહ્યું. જો કે, 2009 ની શરૂઆતમાં, મિત્સુબિશી કેમિકલ હોલ્ડિંગ્સ સૂર્યપ્રકાશ, પાણી અને કાર્બન ડાયોક્સાઇડનો ઉપયોગ કરીને "કાર્બન બિલ્ડિંગ બ્લોક્સ બનાવવા માટે કે જેમાંથી રેઝિન, પ્લાસ્ટિક અને રેસાનું સંશ્લેષણ કરી શકાય છે" તેના પોતાના કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણ સંશોધન વિકસાવી રહ્યું હોવાનું નોંધવામાં આવ્યું હતું. તે વર્ષના અંતમાં કાઇટેકી સંસ્થાની સ્થાપના સાથે આની પુષ્ટિ થઈ હતી, જેમાં મુખ્ય લક્ષ્યાંકોમાંના એક તરીકે કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણ દ્વારા કાર્બન ડાયોક્સાઇડમાં ઘટાડો કરવામાં આવ્યો હતો. 2010 દરમિયાન, યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જીએ તેના એક એનર્જી ઇનોવેશન હબ તરીકે, કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણ માટે સંયુક્ત કેન્દ્રની સ્થાપના કરી હતી. જે. સી. એ. પી. નું ધ્યેય માત્ર સૂર્યપ્રકાશ, પાણી અને કાર્બન-ડાયોક્સાઇડનો ઇનપુટ્સ તરીકે ઉપયોગ કરીને ઇંધણનું ઉત્પાદન કરવા માટે ખર્ચ-અસરકારક પદ્ધતિ શોધવાનું છે. જેસીએપીનું સંચાલન પ્રોફેસર નાથન લુઈસ દ્વારા નિર્દેશિત કેલિફોર્નિયા ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ ટેકનોલોજી (કેલ્ટેક) ની ટીમ દ્વારા કરવામાં આવે છે અને તે કેલ્ટેક અને તેના મુખ્ય ભાગીદાર, લોરેન્સ બર્કલે નેશનલ લેબોરેટરીના 120 થી વધુ વૈજ્ઞાનિકો અને ઇજનેરોને એક સાથે લાવે છે. જેસીએપી સ્ટેનફોર્ડ યુનિવર્સિટી, બર્કલે ખાતે યુનિવર્સિટી ઓફ કેલિફોર્નિયા, યુસીએસબી, યુનિવર્સિટી ઓફ કેલિફોર્નિયા, ઇર્વિન અને સાન ડિએગો ખાતે યુનિવર્સિટી ઓફ કેલિફોર્નિયા અને સ્ટેનફોર્ડ લીનિયર એક્સેલરેટરના મુખ્ય ભાગીદારોની કુશળતા અને ક્ષમતાઓ પર પણ ધ્યાન દોરે છે. વધુમાં, જેસીએપી 20 ડીઓઇ એનર્જી ફ્રન્ટિયર રિસર્ચ સેન્ટર સહિત સમગ્ર યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સમાં અન્ય સૌર ઇંધણ સંશોધન ટીમો માટે કેન્દ્રિય કેન્દ્ર તરીકે કામ કરે છે. આ કાર્યક્રમનું પાંચ વર્ષમાં $122 મિલિયનનું બજેટ હતું, જે કોંગ્રેસનલ વિનિયોગને આધિન હતું. 2010 દરમિયાન, સિનસિનાટી યુનિવર્સિટીના પ્રોફેસર ડેવિડ વેન્ડેલ દ્વારા નિર્દેશિત ટીમે ફીણના રહેઠાણમાં લટકાવેલા ઉત્સેચકો ધરાવતી કૃત્રિમ રચનામાં પ્રકાશસંશ્લેષણનું સફળતાપૂર્વક પ્રદર્શન કર્યું હતું. 2011 દરમિયાન, ડેનિયલ નોસેરા અને તેમની સંશોધન ટીમે પ્રથમ વ્યવહારુ કૃત્રિમ પાંદડાની રચનાની જાહેરાત કરી. અમેરિકન કેમિકલ સોસાયટીની 241મી રાષ્ટ્રીય સભામાં એક ભાષણમાં, નોસેરાએ પોકર કાર્ડના કદના અદ્યતન સૌર કોષનું વર્ણન કર્યું હતું, જે પાણીને ઓક્સિજન અને હાઇડ્રોજનમાં વિભાજિત કરવામાં સક્ષમ છે, જે કુદરતી પ્રકાશસંશ્લેષણ કરતાં લગભગ દસ ગણો વધુ કાર્યક્ષમ છે. કોષ મોટે ભાગે સસ્તી સામગ્રીથી બનેલો હોય છે જે વ્યાપકપણે ઉપલબ્ધ હોય છે, સરળ પરિસ્થિતિઓમાં કામ કરે છે, અને અગાઉના ઉત્પ્રેરકની સરખામણીમાં વધુ સ્થિરતા દર્શાવે છેઃ પ્રયોગશાળાના અભ્યાસોમાં, લેખકોએ દર્શાવ્યું હતું કે કૃત્રિમ પર્ણ પ્રોટોટાઇપ પ્રવૃત્તિમાં ઘટાડો કર્યા વિના ઓછામાં ઓછા 45 કલાક સુધી સતત કામ કરી શકે છે. મે 2012 માં, નોસેરાના સંશોધન પર આધારિત સ્ટાર્ટઅપ સન કેટાલિટિક્સે જણાવ્યું હતું કે તે પ્રોટોટાઇપમાં વધારો કરશે નહીં કારણ કે ઉપકરણ સૂર્યપ્રકાશમાંથી હાઇડ્રોજન બનાવવાની અન્ય રીતો કરતાં થોડી બચત આપે છે. આ ક્ષેત્રના અગ્રણી નિષ્ણાતોએ સંયુક્ત ઊર્જા સુરક્ષા અને આબોહવા પરિવર્તનના ઉકેલ તરીકે કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણ પર વૈશ્વિક પ્રોજેક્ટની દરખાસ્તને ટેકો આપ્યો છે. આ વિષય પરની પરિષદો 2011 દરમિયાન લોર્ડ હોવે ટાપુ પર, 2014માં યુકેના ચિચેલી હોલમાં અને 2016 દરમિયાન કેનબેરા અને લોર્ડ હોવે ટાપુ પર યોજાઈ છે. વર્તમાન સંશોધન ઊર્જાની દ્રષ્ટિએ, કુદરતી પ્રકાશસંશ્લેષણને ત્રણ તબક્કામાં વિભાજિત કરી શકાય છેઃ બેક્ટેરિયા અને છોડમાં પ્રકાશ-લણણી સંકુલ ફોટોન મેળવે છે અને તેમને ઇલેક્ટ્રોનમાં પરિવર્તિત કરે છે, તેમને પ્રકાશસંશ્લેષણ સાંકળમાં દાખલ કરે છે. પ્રકાશસંશ્લેષણ સાંકળના કેટલાક સહ-પરિબળો સાથે પ્રોટોન-જોડી ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફર, સ્થાનિક, અવકાશી ચાર્જ વિભાજનનું કારણ બને છે. રેડોક્સ ઉત્પ્રેરણ, જે ઉપરોક્ત સ્થાનાંતરિત ઇલેક્ટ્રોનનો ઉપયોગ પાણીને ડાયોક્સિઝન અને પ્રોટોનમાં ઓક્સિડાઇઝ કરવા માટે કરે છે; આ પ્રોટોનનો ઉપયોગ કેટલીક પ્રજાતિઓમાં ડાયહાઇડ્રોજન ઉત્પાદન માટે થઈ શકે છે. બાયોમિમેટિક અભિગમોનો ઉપયોગ કરીને, કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણ સમાન પ્રકારની પ્રક્રિયાઓ કરતી પ્રણાલીઓનું નિર્માણ કરવાનો પ્રયાસ કરે છે. આદર્શ રીતે, ટ્રાયડ એસેમ્બલી એક ઉત્પ્રેરક સાથે પાણીનું ઓક્સિડાઇઝેશન કરી શકે છે, બીજા સાથે પ્રોટોન ઘટાડી શકે છે અને સમગ્ર પ્રણાલીને શક્તિ આપવા માટે ફોટોસેન્સિટાઇઝર પરમાણુ ધરાવે છે. સૌથી સરળ રચનાઓમાંની એક એ છે કે જ્યાં ફોટોસેન્સિટાઇઝર પાણીના ઓક્સિડેશન ઉત્પ્રેરક અને હાઇડ્રોજન વિકસતા ઉત્પ્રેરક વચ્ચે જોડાણમાં જોડાયેલું હોય છેઃ પ્રકાશ દ્વારા અથડાય ત્યારે ફોટોસેન્સિટાઇઝર ઇલેક્ટ્રોનને હાઇડ્રોજન ઉત્પ્રેરકમાં સ્થાનાંતરિત કરે છે, પ્રક્રિયામાં ઓક્સિડાઇઝ થાય છે. આ પાણી વિભાજન ઉત્પ્રેરકને ફોટોસેન્સિટાઇઝરને ઇલેક્ટ્રોન દાન કરવા માટે પ્રેરિત કરે છે. ત્રિકોણીય સમૂહમાં, આવા ઉત્પ્રેરકને ઘણીવાર દાતા તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. ઓક્સિડાઇઝ્ડ દાતા પાણીનું ઓક્સિડેશન કરવા માટે સક્ષમ છે. ત્રિપુટીના એક છેડે ઓક્સિડાઇઝ્ડ થયેલા એક ઉત્પ્રેરકની સ્થિતિ અને ત્રિપુટીના બીજા છેડે ઘટાડેલા બીજાને ચાર્જ સેપરેશન તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, અને તે વધુ ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફર માટે પ્રેરક બળ છે, અને પરિણામે ઉત્પ્રેરણ થાય છે. વિવિધ ઘટકોને વિવિધ રીતે એસેમ્બલ કરી શકાય છે, જેમ કે સુપરમોલેક્યુલર કોમ્પ્લેક્સ, કમ્પાર્ટમેન્ટલાઇઝ્ડ કોષો અથવા રેખીય રીતે, સહસંયોજક રીતે જોડાયેલા અણુઓ. ઉત્પ્રેરક શોધવાનું સંશોધન જે પાણી, કાર્બન ડાયોક્સાઇડ અને સૂર્યપ્રકાશને કાર્બોહાઇડ્રેટ્સ અથવા હાઇડ્રોજનમાં રૂપાંતરિત કરી શકે છે તે વર્તમાન, સક્રિય ક્ષેત્ર છે. કુદરતી ઓક્સિજન-વિકસતા સંકુલ (ઓઇસી) નો અભ્યાસ કરીને, સંશોધકોએ તેના કાર્યની નકલ કરવા માટે "બ્લુ ડાયમર" જેવા ઉત્પ્રેરક વિકસાવ્યા છે. જો કે, આ ઉત્પ્રેરક હજુ પણ બિનકાર્યક્ષમ છે. ફોટોઇલેક્ટ્રોકેમિકલ કોષો કે જે કાર્બન ડાયોક્સાઇડને કાર્બન મોનોક્સાઇડ (CO), ફોર્મિક એસિડ (HCOOH) અને મિથેનોલ (CH3OH) માં ઘટાડે છે તે વિકાસ હેઠળ છે. કુદરતી પ્રકાશસંશ્લેષણની જેમ, આવા કૃત્રિમ પાંદડાઓ એકંદર પાણીના વિભાજન અથવા CO2 ઘટાડા માટે પ્રકાશ શોષકનો ઉપયોગ કરી શકે છે. આ સંકલિત પ્રણાલીઓને હળવા વજનના, લવચીક સબસ્ટ્રેટ્સ પર એસેમ્બલ કરી શકાય છે, જેના પરિણામે કમળના પાંદડા જેવા તરતા ઉપકરણો બને છે. અક્ષય ઊર્જા ઉત્પાદન માટે શેવાળમાંથી ફાયકોબિલિટિપ્રોટીન વિકસાવવામાં આવી રહ્યા છે. હાઇડ્રોજન ઉત્પ્રેરક હાઇડ્રોજન એ સંશ્લેષણ કરવા માટેનું સૌથી સરળ સૌર બળતણ છે, કારણ કે તેમાં માત્ર બે ઇલેક્ટ્રોનનું બે પ્રોટોનમાં સ્થાનાંતરણ સામેલ છે. જો કે, તે મધ્યવર્તી હાઇડ્રાઇડ આયનની રચના સાથે તબક્કાવાર થવું જોઈએઃ 2 e − + 2 H + + H − H2 પ્રકૃતિમાં હાજર પ્રોટોન-થી-હાઇડ્રોજન રૂપાંતરિત ઉત્પ્રેરક હાઇડ્રોજન છે. આ ઉત્સેચકો છે જે કાં તો પ્રોટોનને પરમાણુ હાઇડ્રોજનમાં ઘટાડી શકે છે અથવા હાઇડ્રોજનને પ્રોટોન અને ઇલેક્ટ્રોનમાં ઓક્સિડાઇઝ કરી શકે છે. ઘણા દાયકાઓ સુધી ફેલાયેલા સ્પેક્ટ્રોસ્કોપિક અને સ્ફટિકીય અભ્યાસોના પરિણામે હાઇડ્રોજન ઉત્પ્રેરકની રચના અને પદ્ધતિ બંનેની સારી સમજણ મળી છે. આ માહિતીનો ઉપયોગ કરીને, નિકલ-આયર્ન અને આયર્ન-આયર્ન હાઇડ્રોજન બન્નેના સક્રિય સ્થળની રચનાની નકલ કરતા ઘણા અણુઓનું સંશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું છે. અન્ય ઉત્પ્રેરક હાઇડ્રોજેનેઝની માળખાકીય નકલ નથી પરંતુ કાર્યાત્મક છે. સંશ્લેષિત ઉત્પ્રેરકોમાં માળખાકીય એચ-ક્લસ્ટર મોડેલ્સ, ડિરોડિયમ ફોટોકેટાલિસ્ટ અને કોબાલ્ટ ઉત્પ્રેરકનો સમાવેશ થાય છે. પાણી-ઓક્સિડાઇઝિંગ ઉત્પ્રેરક પાણીનું ઓક્સિડેશન એ પ્રોટોનના ઘટાડા કરતાં વધુ જટિલ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા છે. પ્રકૃતિમાં, ઓક્સિજન-વિકસતા સંકુલ ફોટોસિસ્ટમ II (પીએસ II) ની અંદર મેંગેનીઝ-કેલ્શિયમ ક્લસ્ટરમાં સમકક્ષ (ઇલેક્ટ્રોન) ને ઘટાડીને આ પ્રતિક્રિયા કરે છે, પછી તેમને પાણીના અણુઓમાં પહોંચાડે છે, પરિણામે પરમાણુ ઓક્સિજન અને પ્રોટોનનું ઉત્પાદન થાય છેઃ 2 એચ 2 ઓ → ઓ 2 + 4 એચ + + 4 ઇ-ઉત્પ્રેરક (કુદરતી અથવા કૃત્રિમ) વિના, આ પ્રતિક્રિયા ખૂબ જ એન્ડોથર્મિક છે, જેના માટે ઉચ્ચ તાપમાન (ઓછામાં ઓછું 2500 કે) ની જરૂર પડે છે. ઓક્સિજન-વિકસતા સંકુલની ચોક્કસ રચના પ્રાયોગિક રીતે નક્કી કરવી મુશ્કેલ છે. 2011 સુધીમાં, સૌથી વધુ વિગતવાર મોડેલ ફોટોસિસ્ટમ II ના 1.9 Å રીઝોલ્યુશન સ્ફટિક માળખામાંથી હતું. આ સંકુલ ચાર મેંગેનીઝ અને એક કેલ્શિયમ આયન ધરાવતું ક્લસ્ટર છે, પરંતુ ક્લસ્ટરની અંદર પાણીના ઓક્સિડેશનનું ચોક્કસ સ્થાન અને પદ્ધતિ અજ્ઞાત છે. તેમ છતાં, જૈવ-પ્રેરિત મેંગેનીઝ અને મેંગેનીઝ-કેલ્શિયમ સંકુલોનું સંશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું છે, જેમ કે [Mn4O4] ક્યુબેન-પ્રકારના સમૂહ, જેમાંથી કેટલાક ઉત્પ્રેરક પ્રવૃત્તિ સાથે છે. કેટલાક રુથેનિયમ સંકુલ, જેમ કે ડાયન્યુક્લિયર એમયુ-ઓક્સો-બ્રીજ્ડ "બ્લુ ડાયમર" (સંશ્લેષિત થનાર આ પ્રકારનું પ્રથમ), પ્રકાશ સંચાલિત જળ ઓક્સિડેશન માટે સક્ષમ છે, જે ઉચ્ચ સંયોજકતા સ્થિતિઓ રચવામાં સક્ષમ હોવાને કારણે છે. આ કિસ્સામાં, રુથેનિયમ સંકુલ ફોટોસેન્સિટાઇઝર અને ઉત્પ્રેરક બંને તરીકે કાર્ય કરે છે. આ સંકુલ અને અન્ય પરમાણુ ઉત્પ્રેરક હજુ પણ આ ક્ષેત્રમાં સંશોધકોને આકર્ષિત કરે છે, જેમ કે સ્પષ્ટ માળખું, સક્રિય સ્થળ અને અભ્યાસ કરવાની સરળ પદ્ધતિ જેવા વિવિધ ફાયદા ધરાવે છે. દૂર કરવાના મુખ્ય પડકારોમાંથી એક તેમની ટૂંકા ગાળાની સ્થિરતા અને કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણ ઉપકરણોમાં કાર્યક્રમો માટે તેમનું અસરકારક હેટેરોજેનાઇઝેશન છે. ઘણા ધાતુના ઓક્સાઇડમાં જળ ઓક્સિડેશન ઉત્પ્રેરક પ્રવૃત્તિ જોવા મળે છે, જેમાં રુથેનિયમ (IV) ઓક્સાઇડ (રુઓ2), ઇરિડિયમ (IV) ઓક્સાઇડ (આઇઆરઓ2), કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ (નિકલ-ડોપ્ડ કો3ઓ4 સહિત), મેંગેનીઝ ઓક્સાઇડ (સ્તરવાળી એમએનઓ2 (બર્નેસાઇટ), એમએન2ઓ3 સહિત) અને એમએન2ઓ3નું CaMn2ઓ4 સાથે મિશ્રણ સામેલ છે. પરમાણુ ઉત્પ્રેરક કરતાં ઓક્સાઇડ મેળવવાનું સરળ છે, ખાસ કરીને પ્રમાણમાં વિપુલ પ્રમાણમાં સંક્રમણ ધાતુઓ (કોબાલ્ટ અને મેંગેનીઝ) માંથી, પરંતુ નીચા ટર્નઓવર આવર્તન અને ધીમા ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફર ગુણધર્મોથી પીડાય છે, અને તેમની ક્રિયાની પદ્ધતિને સમજવી મુશ્કેલ છે અને તેથી તેને સમાયોજિત કરવી મુશ્કેલ છે. તાજેતરમાં મેટલ-ઓર્ગેનિક ફ્રેમવર્ક (એમઓએફ) આધારિત સામગ્રી પ્રથમ હરોળની સંક્રમણ ધાતુઓ સાથે પાણીના ઓક્સિડેશન માટે અત્યંત આશાસ્પદ ઉમેદવાર હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું છે. આ પ્રણાલીની સ્થિરતા અને સુસંગતતા ભવિષ્યના વિકાસ માટે ખૂબ ફાયદાકારક હોવાનું અનુમાન છે. ફોટોસેન્સિટાઇઝર્સ કુદરત દૃશ્યમાન વર્ણપટના વ્યાપક ભાગને શોષવા માટે રંગદ્રવ્યો, મુખ્યત્વે ક્લોરોફિલનો ઉપયોગ કરે છે. કૃત્રિમ પ્રણાલીઓ વ્યાપક શોષણ શ્રેણી સાથે એક પ્રકારના રંગદ્રવ્યનો ઉપયોગ કરી શકે છે અથવા સમાન હેતુ માટે ઘણા રંગદ્રવ્યોને જોડી શકે છે. રુથેનિયમ પોલીપાયરીડાઇન કોમ્પ્લેક્સ, ખાસ કરીને ટ્રિસ (બાયપાઇરીડાઇન) રુથેનિયમ (II) અને તેના ડેરિવેટિવ્ઝ, હાઇડ્રોજન ફોટોપ્રોડક્શનમાં તેમના કાર્યક્ષમ દૃશ્યમાન પ્રકાશ શોષણ અને લાંબા સમય સુધી પરિણામી ધાતુ-થી-લિગાન્ડ ચાર્જ ટ્રાન્સફર ઉત્તેજિત સ્થિતિને કારણે વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે, જે કોમ્પ્લેક્સને મજબૂત ઘટાડતા એજન્ટો બનાવે છે. ઉપયોગમાં લેવાતા અન્ય ઉમદા ધાતુ ધરાવતા સંકુલમાં પ્લેટિનમ, રોડિયમ અને ઇરિડિયમનો સમાવેશ થાય છે. ધાતુ મુક્ત કાર્બનિક સંકુલોનો ફોટોસેન્સિટાઇઝર્સ તરીકે પણ સફળતાપૂર્વક ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. ઉદાહરણોમાં ઇઓસિન વાય અને ગુલાબ બંગાળનો સમાવેશ થાય છે. પોર્ફિરિન જેવી પાયરોલ રિંગ્સનો ઉપયોગ એકરૂપ અને વિજાતીય ઉત્પ્રેરણ બંને માટે કોટિંગ નેનોમેટેરિયલ અથવા સેમિકન્ડક્ટર્સમાં પણ થાય છે. વર્તમાન સંશોધન પ્રયાસોના ભાગરૂપે કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણ માટે પ્રકાશ એકત્રિત કરવાની કાર્યક્ષમ અને ટકાઉ રીતો નક્કી કરવા માટે કૃત્રિમ ફોટોનિક એન્ટેના પ્રણાલીઓનો અભ્યાસ કરવામાં આવી રહ્યો છે. Gion Calzaferri (2009) એ આવા એક એન્ટેનાનું વર્ણન કરે છે જે છોડની પ્રકાશ સંગ્રહ પ્રણાલીઓની નકલ કરવા માટે કાર્બનિક રંગો માટે યજમાન તરીકે ઝીઓલાઇટ એલનો ઉપયોગ કરે છે. એન્ટેના ઝીયોલાઇટ એલની ચેનલોમાં રંગના અણુઓ દાખલ કરીને બનાવવામાં આવે છે. દાખલ કરવાની પ્રક્રિયા, જે શૂન્યાવકાશ હેઠળ અને ઉચ્ચ તાપમાનની સ્થિતિમાં થાય છે, તે ઝીયોલાઇટ માળખા અને રંગના અણુઓની સહકારી કંપન ગતિ દ્વારા શક્ય બને છે. પરિણામી સામગ્રીને સ્ટોપકોક મધ્યવર્તી દ્વારા બાહ્ય ઉપકરણ સાથે જોડી શકાય છે. કાર્બન ડાયોક્સાઇડ ઘટાડાના ઉત્પ્રેરક પ્રકૃતિમાં, કેલ્વિન ચક્રના ભાગરૂપે રુબિસ્કો ઉત્સેચકનો ઉપયોગ કરીને લીલા છોડ દ્વારા કાર્બન સ્થિરીકરણ કરવામાં આવે છે. મોટાભાગના અન્ય ઉત્સેચકોની તુલનામાં રુબિસ્કો એક ધીમું ઉત્પ્રેરક છે, જે કાર્બન ડાયોક્સાઇડના માત્ર થોડા અણુઓને પ્રતિ મિનિટ રિબ્યુલોઝ-1,5-બિસ્ફોસ્ફેટમાં સામેલ કરે છે, પરંતુ તે વાતાવરણીય દબાણ અને હળવી, જૈવિક પરિસ્થિતિઓમાં આવું કરે છે. પરિણામી ઉત્પાદન વધુ ઘટાડવામાં આવે છે અને આખરે ગ્લુકોઝના સંશ્લેષણમાં ઉપયોગમાં લેવાય છે, જે બદલામાં સેલ્યુલોઝ અને સ્ટાર્ચ જેવા વધુ જટિલ કાર્બોહાઈડ્રેટ્સનો પુરોગામી છે. આ પ્રક્રિયા એ. ટી. પી. અને એન. એ. ડી. પી. એચ. ના રૂપમાં ઊર્જાનો વપરાશ કરે છે. બળતણ ઉત્પાદન માટે કૃત્રિમ CO2 ઘટાડાનો હેતુ મોટે ભાગે વાતાવરણીય CO2માંથી ઘટાડેલા કાર્બન સંયોજનોનું ઉત્પાદન કરવાનો છે. આ હેતુ માટે કેટલાક સંક્રમણ ધાતુના પોલિફોસ્ફીન સંકુલ વિકસાવવામાં આવ્યા છે; જો કે, તેમને સામાન્ય રીતે ઉપયોગ કરતા પહેલા CO2 ની અગાઉની સાંદ્રતાની જરૂર પડે છે, અને વાહક (અણુઓ કે જે CO2 ને સ્થિર કરશે) જે એરોબિક પરિસ્થિતિઓમાં સ્થિર હોય છે અને વાતાવરણીય સાંદ્રતામાં CO2 ને કેન્દ્રિત કરવામાં સક્ષમ હોય છે તે હજુ સુધી વિકસાવવામાં આવ્યા નથી. કાર્બન ડાયોક્સાઇડમાં ઘટાડાનું સૌથી સરળ ઉત્પાદન કાર્બન મોનોક્સાઇડ (CO) છે, પરંતુ બળતણના વિકાસ માટે વધુ ઘટાડાની જરૂર છે, અને વધુ વિકાસની જરૂર હોય તેવું મુખ્ય પગલું એ છે કે હાઇડ્રાઇડ આયનોનું COમાં સ્થાનાંતરણ. બળતણનું ફોટોબાયોલોજીકલ ઉત્પાદન કેટલાક ફોટોઆટોટ્રોફિક સુક્ષ્મસજીવો ચોક્કસ પરિસ્થિતિઓમાં હાઇડ્રોજનનું ઉત્પાદન કરી શકે છે. નાઇટ્રોજન-ફિક્સિંગ સુક્ષ્મસજીવો, જેમ કે ફિલામેન્ટસ સાયનોબેક્ટેરિયા, એન્ઝાઇમ નાઇટ્રોજેનેઝ ધરાવે છે, જે વાતાવરણીય એન 2 ને એમોનિયામાં રૂપાંતરિત કરવા માટે જવાબદાર છે; મોલેક્યુલર હાઇડ્રોજન આ પ્રતિક્રિયાનું આડપેદાશ છે, અને ઘણી વખત તે સુક્ષ્મસજીવો દ્વારા મુક્ત થતું નથી, પરંતુ હાઇડ્રોજન-ઓક્સિડાઇઝિંગ (અપટેક) હાઇડ્રોજેનેઝ દ્વારા લેવામાં આવે છે. આ સજીવોને હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન કરવા માટે દબાણ કરવાની એક રીત એ છે કે હાઇડ્રોજન ગ્રહણ કરવાની પ્રવૃત્તિને નાબૂદ કરવી. આ નોસ્ટોક પંક્ટિફૉર્મના તાણ પર કરવામાં આવ્યું છેઃ NiFe અપટેક હાઇડ્રોજનઝના માળખાકીય જનીનોમાંથી એકને નિવેશિત મ્યુટેજેનેસિસ દ્વારા નિષ્ક્રિય કરવામાં આવ્યું હતું, અને મ્યુટન્ટ તાણ પ્રકાશ હેઠળ હાઇડ્રોજન ઉત્ક્રાંતિ દર્શાવે છે. આમાંના ઘણા ફોટોઆટોટ્રોફ્સમાં દ્વિદિશાત્મક હાઇડ્રોજન પણ હોય છે, જે ચોક્કસ પરિસ્થિતિઓમાં હાઇડ્રોજનનું ઉત્પાદન કરી શકે છે. જો કે, ઊર્જાની માંગ કરતા અન્ય ચયાપચય માર્ગો પ્રોટોનના ઘટાડા માટે જરૂરી ઇલેક્ટ્રોન સાથે સ્પર્ધા કરી શકે છે, જે એકંદર પ્રક્રિયાની કાર્યક્ષમતામાં ઘટાડો કરે છે; ઉપરાંત, આ હાઇડ્રોજન ઓક્સિજન પ્રત્યે ખૂબ જ સંવેદનશીલ હોય છે. 1-બ્યુટેનોલ જેવા સાયનોબેક્ટેરિયાનો ઉપયોગ કરીને કેટલાક કાર્બન આધારિત બાયોફ્યુઅલનું પણ ઉત્પાદન કરવામાં આવ્યું છે. કૃત્રિમ જીવવિજ્ઞાન તકનીકો આ વિષય માટે ઉપયોગી થવાની આગાહી કરવામાં આવી છે. માઇક્રોબાયોલોજીકલ અને એન્ઝાઇમેટિક એન્જિનિયરિંગમાં એન્ઝાઇમની કાર્યક્ષમતા અને મજબૂતાઈમાં સુધારો કરવાની ક્ષમતા છે, તેમજ ફોટોઆટોટ્રોફ્સમાં નવા બાયોફ્યુઅલ-ઉત્પાદક મેટાબોલિક માર્ગોનું નિર્માણ કરવાની ક્ષમતા છે જેનો અગાઉ અભાવ હતો, અથવા હાલના માર્ગોમાં સુધારો કરવાની ક્ષમતા છે. વિકસાવવામાં આવી રહેલો બીજો વિષય વ્યાપારી ઉપયોગ માટે ફોટોબાયોરિએક્ટરનું ઓપ્ટિમાઇઝેશન છે. ખાદ્ય ઉત્પાદન સંશોધકોએ અંધારામાં વિવિધ ખોરાકની નિયંત્રિત વૃદ્ધિ હાંસલ કરી છે. તે ખાદ્ય ઉત્પાદનની ઊર્જા કાર્યક્ષમતા વધારવાનો અને તેની પર્યાવરણીય અસરોને ઘટાડવાનો એક માર્ગ બની શકે છે. જો કે, તે અસ્પષ્ટ છે કે પ્રાયોગિક પ્રક્રિયા પર આધારિત ખાદ્ય ઉત્પાદન પદ્ધતિઓ વ્યવહારુ છે અને તેને માપી શકાય છે. કાર્યરત સંશોધન તકનીકો કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણમાં સંશોધન આવશ્યકપણે એક બહુશાખાકીય વિષય છે, જેમાં વિવિધ કુશળતાની જરૂર પડે છે. ઉત્પ્રેરક અને સૌર કોષો બનાવવા અને તપાસ કરવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતી કેટલીક તકનીકોમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છેઃ કાર્બનિક અને અકાર્બનિક રાસાયણિક સંશ્લેષણ. ઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રી પદ્ધતિઓ, જેમ કે ફોટોઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રી, સાયક્લિક વોલ્ટેમેટ્રી, ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ઇમ્પિડન્સ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી, ડાઇલેક્ટ્રિક સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી અને બલ્ક ઇલેક્ટ્રોલિસિસ. સ્પેક્ટ્રોસ્કોપિક પદ્ધતિઓઃ ઝડપી તકનીકો, જેમ કે સમય-ઉકેલાયેલ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી અને અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસર સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી; મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી, જેમ કે ન્યુક્લિયર મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ, ઇલેક્ટ્રોન પેરામેગ્નેટિક રેઝોનન્સ; એક્સ-રે સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી પદ્ધતિઓ, જેમાં એક્સ-રે શોષણ જેમ કે XANES અને EXAFS, પણ એક્સ-રે ઉત્સર્જન પણ સામેલ છે. ક્રિસ્ટલોગ્રાફી. મોલેક્યુલર બાયોલોજી, માઇક્રોબાયોલોજી અને સિન્થેટિક બાયોલોજી પધ્ધતિઓ. કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણ દ્વારા સૌર ઇંધણના ઉત્પાદનના ફાયદા, ગેરફાયદા અને કાર્યક્ષમતામાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છેઃ સૌર ઊર્જાને તાત્કાલિક રૂપાંતરિત અને સંગ્રહિત કરી શકાય છે. ફોટોવોલ્ટેઇક કોષોમાં, સૂર્યપ્રકાશને વીજળીમાં રૂપાંતરિત કરવામાં આવે છે અને પછી સંગ્રહ માટે ફરીથી રાસાયણિક ઊર્જામાં રૂપાંતરિત કરવામાં આવે છે, જેમાં બીજા રૂપાંતર સાથે સંકળાયેલ ઊર્જાના કેટલાક જરૂરી નુકસાન થાય છે. આ પ્રતિક્રિયાઓના આડપેદાશો પર્યાવરણને અનુકૂળ છે. કૃત્રિમ રીતે પ્રકાશસંશ્લેષિત બળતણ ઊર્જાનો કાર્બન-તટસ્થ સ્રોત હશે, જેનો ઉપયોગ પરિવહન અથવા ઘરો માટે થઈ શકે છે. ગેરફાયદાઓમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છેઃ કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણ માટે ઉપયોગમાં લેવાતી સામગ્રી ઘણીવાર પાણીમાં સડી જાય છે, તેથી તેઓ લાંબા સમય સુધી ફોટોવોલ્ટેઇક કરતાં ઓછી સ્થિર હોઈ શકે છે. મોટાભાગના હાઇડ્રોજન ઉત્પ્રેરક ઓક્સિજન પ્રત્યે ખૂબ જ સંવેદનશીલ હોય છે, જે તેની હાજરીમાં નિષ્ક્રિય અથવા અધોગતિ પામે છે; ઉપરાંત, સમય જતાં ફોટોડેમેજ થઈ શકે છે. ઊર્જાના વ્યાપારી રીતે વ્યવહારુ સ્ત્રોત તરીકે અશ્મિભૂત ઇંધણ સાથે સ્પર્ધા કરવા માટે ખર્ચ (હજુ સુધી) પૂરતો ફાયદાકારક નથી. સામાન્ય રીતે ઉત્પ્રેરક ડિઝાઇનમાં સંબોધવામાં આવતી ચિંતા કાર્યક્ષમતા છે, ખાસ કરીને વ્યવહારમાં સિસ્ટમમાં ઘટનાના પ્રકાશનો કેટલો ઉપયોગ કરી શકાય છે. આ પ્રકાશસંશ્લેષણ કાર્યક્ષમતા સાથે તુલનાત્મક છે, જ્યાં પ્રકાશ-થી-રાસાયણિક-ઊર્જા રૂપાંતરણ માપવામાં આવે છે. પ્રકાશસંશ્લેષક સજીવો આશરે 50 ટકા ઘટના સૌર કિરણોત્સર્ગ એકત્રિત કરવામાં સક્ષમ છે, જો કે પ્રકાશસંશ્લેષક કાર્યક્ષમતાની સૈદ્ધાંતિક મર્યાદા C3 અને C4 છોડ માટે અનુક્રમે 4.6 અને 6 ટકા છે. હકીકતમાં, ઉષ્ણકટિબંધીય આબોહવામાં શેરડી જેવા કેટલાક અપવાદો સાથે પ્રકાશસંશ્લેષણની કાર્યક્ષમતા ઘણી ઓછી છે અને સામાન્ય રીતે 1 ટકાથી ઓછી હોય છે. તેનાથી વિપરીત, કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણ પ્રયોગશાળાના પ્રોટોટાઇપ માટે સૌથી વધુ નોંધાયેલ કાર્યક્ષમતા 22.4% છે. જો કે, છોડ વાતાવરણીય સાંદ્રતામાં CO2 નો ઉપયોગ કરવામાં કાર્યક્ષમ છે, જે કંઈક કૃત્રિમ ઉત્પ્રેરક હજુ પણ કરી શકતા નથી. આ પણ જુઓ બેક્ટેરિયોહોડૉપ્સિન એટીપી સિન્થેઝ ફોટોઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રી આલ્ગેપાર્ક કાર્બન ફૂટપ્રિન્ટ ફ્યુઅલ સેલ હાઇડ્રોજન અર્થતંત્ર ઉભરતી તકનીકોની સૂચિ મેટાબોલિક એન્જિનિયરિંગ ફોટોસેન્સિટાઇઝર સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ એન્જિનિયરિંગ લાઇટ-એક્ટિવેટેડ મેટાલોપ્રોટીન પાણીને વિભાજિત કરવા માટે ઓસ્ટ્રેલિયા નેશનલ યુનિવર્સિટી ડેનિયલ નોસેરા મેસેચ્યુસેટ્સ ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ ટેકનોલોજીમાં સૌર ઉર્જાના સંગ્રહ માટેની નવી પ્રક્રિયાનું વર્ણન કરે છે. લોરેન્સ બર્કલે નેશનલ લેબોરેટરી ખાતે કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણ પર પોલ એલિવિસાટોસ કૃત્રિમ પ્રકાશસંશ્લેષણ માટે નેનોકેપ્સ્યુલ્સ એ નેનોવર્ક ન્યૂઝ લેખ એમઆઇટી સોલર રિવોલ્યુશન પ્રોજેક્ટ હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન ફોટોકેમિસ્ટ્રી નવીનીકરણીય ઊર્જા ટેકનોલોજી બળતણ ઉત્પાદન ઉભરતી તકનીકો