Artificial photosynthesis
कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण एक रासायनिक प्रक्रिया है जो सूर्य के प्रकाश, पानी और कार्बन डाइऑक्साइड को कार्बोहाइड्रेट और ऑक्सीजन में बदलने के लिए प्रकाश संश्लेषण की प्राकृतिक प्रक्रिया का जैव-अनुकरण करती है। कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण शब्द का उपयोग आमतौर पर ईंधन (एक सौर ईंधन) के रासायनिक बंधनों में सूर्य के प्रकाश से ऊर्जा को पकड़ने और संग्रहीत करने के लिए किसी भी योजना को संदर्भित करने के लिए किया जाता है। प्रकाश उत्प्रेरक जल विभाजन जल को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में परिवर्तित करता है और यह कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण का एक प्रमुख शोध विषय है। प्रकाश-संचालित कार्बन डाइऑक्साइड की कमी एक और प्रक्रिया है जिसका अध्ययन किया जाता है जो प्राकृतिक कार्बन स्थिरीकरण की प्रतिकृति बनाता है। इस विषय पर अनुसंधान में सौर ईंधन के प्रत्यक्ष उत्पादन के लिए उपकरणों की रचना और संयोजन, फोटोइलेक्ट्रोकैमिस्ट्री और ईंधन कोशिकाओं में इसके अनुप्रयोग, और सूक्ष्मजीव जैव ईंधन और सूर्य के प्रकाश से जैव-हाइड्रोजन उत्पादन के लिए एंजाइमों और फोटोआटोट्रॉफिक सूक्ष्मजीवों की इंजीनियरिंग शामिल है। अवलोकन प्रकाश संश्लेषक प्रतिक्रिया को ऑक्सीकरण और कमी की दो अर्ध-प्रतिक्रियाओं में विभाजित किया जा सकता है, जो दोनों ईंधन के उत्पादन के लिए आवश्यक हैं। पादप प्रकाश संश्लेषण में, पानी के अणुओं को ऑक्सीजन और प्रोटॉन छोड़ने के लिए फोटो-ऑक्सीकृत किया जाता है। पादप प्रकाश संश्लेषण का दूसरा चरण (जिसे केल्विन-बेंसन चक्र के रूप में भी जाना जाता है) एक प्रकाश-स्वतंत्र प्रतिक्रिया है जो कार्बन डाइऑक्साइड को ग्लूकोज (ईंधन) में परिवर्तित करती है। कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के शोधकर्ता प्रकाश उत्प्रेरक विकसित कर रहे हैं जो इन दोनों प्रतिक्रियाओं को करने में सक्षम हैं। इसके अलावा, जल विभाजन के परिणामस्वरूप होने वाले प्रोटॉन का उपयोग हाइड्रोजन उत्पादन के लिए किया जा सकता है। इन उत्प्रेरकों को जल्दी से प्रतिक्रिया करने और आकस्मिक सौर फोटॉनों के एक बड़े प्रतिशत को अवशोषित करने में सक्षम होना चाहिए। जबकि फोटोवोल्टिक सीधे सूर्य के प्रकाश से ऊर्जा प्रदान कर सकते हैं, फोटोवोल्टिक बिजली (अप्रत्यक्ष प्रक्रिया) से ईंधन उत्पादन की अक्षमता और यह तथ्य कि पूरे दिन धूप स्थिर नहीं रहती है, इसके उपयोग की एक सीमा निर्धारित करती है। प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषण का उपयोग करने का एक तरीका जैव ईंधन के उत्पादन के लिए है, जो एक अप्रत्यक्ष प्रक्रिया है जो कम ऊर्जा रूपांतरण दक्षता (सूर्य के प्रकाश को बायोमास में परिवर्तित करने में प्रकाश संश्लेषण की अपनी कम दक्षता के कारण), कटाई और ईंधन के परिवहन की लागत, और खाद्य उत्पादन के लिए भूमि द्रव्यमान की बढ़ती आवश्यकता के कारण संघर्ष से ग्रस्त है। कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण का उद्देश्य सूर्य के प्रकाश से एक ऐसे ईंधन का उत्पादन करना है जिसे आसानी से संग्रहीत किया जा सकता है और जब सूर्य का प्रकाश उपलब्ध नहीं होता है, तो प्रत्यक्ष प्रक्रियाओं का उपयोग करके, यानी सौर ईंधन का उत्पादन करके उपयोग किया जा सकता है। प्रकाश संश्लेषण के प्रमुख भागों को पुनः उत्पन्न करने में सक्षम उत्प्रेरक के विकास के साथ, स्वच्छ ऊर्जा का उत्पादन करने के लिए केवल पानी, कार्बन डाइऑक्साइड और सूर्य के प्रकाश की आवश्यकता होगी। एकमात्र उप-उत्पाद ऑक्सीजन होगा, और सौर ईंधन का उत्पादन गैसोलीन की तुलना में सस्ता होने की क्षमता रखता है। स्वच्छ और किफायती ऊर्जा आपूर्ति के निर्माण के लिए एक प्रक्रिया सौर प्रकाश के तहत प्रकाश उत्प्रेरक जल विभाजन का विकास है। टिकाऊ हाइड्रोजन उत्पादन की यह विधि वैकल्पिक ऊर्जा प्रणालियों के विकास के लिए एक प्रमुख उद्देश्य है। यह भी अनुमान लगाया गया है कि यह पानी से हाइड्रोजन प्राप्त करने के सबसे अधिक कुशल तरीकों में से एक है। प्रकाश-अर्धचालक उत्प्रेरक द्वारा सहायता प्राप्त जल-विभाजन प्रक्रिया के माध्यम से सौर ऊर्जा का हाइड्रोजन में रूपांतरण विकास में सबसे आशाजनक तकनीकों में से एक है। इस प्रक्रिया में पारिस्थितिक रूप से मजबूत तरीके से बड़ी मात्रा में हाइड्रोजन उत्पन्न करने की क्षमता है। परिवेशीय परिस्थितियों में सौर ऊर्जा को स्वच्छ ईंधन (एच2) में बदलना 21वीं सदी में वैज्ञानिकों के सामने सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक है। हाइड्रोजन उत्पादन के लिए सौर ईंधन कोशिकाओं के निर्माण के लिए आम तौर पर दो विधियों को मान्यता दी जाती हैः एक सजातीय प्रणाली ऐसी होती है कि उत्प्रेरक अलग-अलग नहीं होते हैं, यानी घटक एक ही डिब्बे में मौजूद होते हैं। इसका मतलब है कि हाइड्रोजन और ऑक्सीजन एक ही स्थान पर उत्पन्न होते हैं। यह एक कमी हो सकती है, क्योंकि वे एक विस्फोटक मिश्रण बनाते हैं, जिससे गैस उत्पाद को अलग करने की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, सभी घटकों को लगभग समान स्थितियों (जैसे, पी. एच.) में सक्रिय होना चाहिए। एक विषम प्रणाली में दो अलग-अलग इलेक्ट्रोड होते हैं, एक एनोड और एक कैथोड, जो ऑक्सीजन और हाइड्रोजन उत्पादन को अलग करना संभव बनाता है। इसके अलावा, अलग-अलग घटकों को समान परिस्थितियों में काम करने की आवश्यकता नहीं होती है। हालाँकि, इन प्रणालियों की बढ़ती जटिलता उन्हें विकसित करना कठिन और अधिक महंगा बनाती है। कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के भीतर अनुसंधान का एक अन्य क्षेत्र सौर ईंधन के उत्पादन के लिए प्रकाश संश्लेषक सूक्ष्मजीवों, अर्थात् हरित सूक्ष्म शैवाल और सायनोबैक्टीरिया का चयन और हेरफेर है। कई उपभेद प्राकृतिक रूप से हाइड्रोजन का उत्पादन करने में सक्षम हैं, और वैज्ञानिक उन्हें सुधारने के लिए काम कर रहे हैं। ब्यूटेनॉल और मेथनॉल जैसे शैवाल जैव ईंधन का उत्पादन प्रयोगशाला और वाणिज्यिक दोनों स्तरों पर किया जाता है। इस विधि को कृत्रिम जीव विज्ञान के विकास से लाभ हुआ है, जिसे जे. क्रेग वेंटर संस्थान द्वारा जैव ईंधन उत्पादन में सक्षम एक कृत्रिम जीव का उत्पादन करने के लिए भी खोजा जा रहा है। 2017 में, "साइबोर्ग बैक्टीरिया" का उपयोग करके कार्बन डाइऑक्साइड से एसिटिक एसिड का उत्पादन करने के लिए एक कुशल प्रक्रिया विकसित की गई थी। कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण का पहली बार 1912 के दौरान इतालवी रसायनज्ञ गियाकोमो सियामिशियन द्वारा अनुमान लगाया गया था। एक व्याख्यान में जो बाद में साइंस में प्रकाशित हुआ था, उन्होंने जीवाश्म ईंधन के उपयोग से सूर्य द्वारा प्रदान की गई और तकनीकी प्रकाश रसायन उपकरणों द्वारा ली गई विकिरण ऊर्जा में बदलाव का प्रस्ताव रखा। इस बदलाव में उन्होंने यूरोप के अमीर उत्तर और गरीब दक्षिण के बीच के अंतर को कम करने की संभावना देखी और अनुमान लगाया कि कोयले से सौर ऊर्जा में यह बदलाव "प्रगति और मानव खुशी के लिए हानिकारक नहीं होगा"। 1960 के दशक के अंत में, अकीरा फुजिशिमा ने टाइटेनियम डाइऑक्साइड के प्रकाश उत्प्रेरक गुणों की खोज की, तथाकथित होंडा-फुजिशिमा प्रभाव, जिसका उपयोग जल अपघटन के लिए किया जा सकता है। एक टुकड़े मल्टीजंक्शन अर्धचालक उपकरण (बनाम टाइटेनियम डाइऑक्साइड अर्धचालकों के साथ यूवी प्रकाश) के साथ दृश्यमान हल्के पानी के विभाजन का पहली बार 1983 के दौरान विलियम आयर्स द्वारा ऊर्जा रूपांतरण उपकरणों में प्रदर्शन और पेटेंट किया गया था। इस समूह ने हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में जल फोटोलिसिस का प्रदर्शन किया, जिसे अब कम लागत वाली, पतली फिल्म अनाकार सिलिकॉन मल्टीजंक्शन शीट के साथ सीधे पानी में डूबा हुआ "कृत्रिम पत्ता" कहा जाता है। हाइड्रोजन विभिन्न उत्प्रेरकों से सजी सामने की अनाकार सिलिकॉन सतह पर विकसित हुआ जबकि ऑक्सीजन पीछे की ओर धातु के सब्सट्रेट से विकसित हुआ जिसने मिश्रित हाइड्रोजन/ऑक्सीजन गैस के विकास के खतरे को भी समाप्त कर दिया। डूबे हुए उपकरण के ऊपर एक बहुलक झिल्ली ने प्रोटॉन परिवहन के लिए एक मार्ग प्रदान किया। दृश्यमान प्रकाश के साथ मल्टीजंक्शन थिन फिल्म डिवाइस से उपलब्ध उच्च फोटोवोल्टेज यूवी या अन्य एकल जंक्शन अर्धचालक फोटोइलेक्ट्रोड के साथ पिछले फोटोलिसिस प्रयासों की तुलना में एक बड़ी प्रगति थी। समूह के पेटेंट में अनाकार सिलिकॉन के अलावा कई अन्य अर्धचालक बहुआयामी रचनाओं को भी सूचीबद्ध किया गया है। स्वीडिश कंसोर्टियम फॉर आर्टिफिशियल फोटोसिंथेसिस, अपनी तरह का पहला, 1994 के दौरान तीन अलग-अलग विश्वविद्यालयों, लुंड, उप्साला और स्टॉकहोम के समूहों के बीच सहयोग के रूप में स्थापित किया गया था, जो वर्तमान में लुंड और उप्साला में एंगस्ट्रॉम लैबोरेटरीज के आसपास सक्रिय है। कंसोर्टियम को प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषण से सीखने और इस ज्ञान को बायोमिमेटिक प्रणालियों में लागू करने पर ध्यान केंद्रित करने के लिए एक बहु-विषयक दृष्टिकोण के साथ बनाया गया था। 21वीं सदी की शुरुआत में कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के शोध में तेजी आ रही है। 2000 के दौरान, राष्ट्रमंडल वैज्ञानिक और औद्योगिक अनुसंधान संगठन (सी. एस. आई. आर. ओ.) के शोधकर्ताओं ने कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ने और हाइड्रोकार्बन में इसके रूपांतरण पर जोर देने के अपने इरादे को प्रचारित किया। 2003 में, ब्रुकहेवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला ने CO2 को CO (सबसे सरल संभव कार्बन डाइऑक्साइड कमी प्रतिक्रिया) में कम करने के एक महत्वपूर्ण मध्यवर्ती भाग की खोज की घोषणा की, जिसके परिणामस्वरूप बेहतर उत्प्रेरक हो सकते हैं। जल-विभाजन उत्प्रेरक के लिए कृत्रिम प्रणालियों के नुकसानों में से एक दुर्लभ, महंगे तत्वों, जैसे कि रुथेनियम या रीनियम पर उनकी सामान्य निर्भरता है। 2008 के दौरान, संयुक्त राज्य वायु सेना के वैज्ञानिक अनुसंधान कार्यालय के वित्त पोषण के साथ, एम. आई. टी. रसायनज्ञ और सौर क्रांति परियोजना के निदेशक डैनियल जी. नोसेरा और पोस्टडॉक्टरल साथी मैथ्यू कानन ने सस्ते और अधिक प्रचुर मात्रा में तत्वों कोबाल्ट और फॉस्फेट वाले उत्प्रेरक का उपयोग करके इस समस्या को दरकिनार करने का प्रयास किया। उत्प्रेरक सूर्य के प्रकाश का उपयोग करके पानी को ऑक्सीजन और प्रोटॉन में विभाजित करने में सक्षम था, और संभावित रूप से प्लैटिनम जैसे हाइड्रोजन गैस उत्पादक उत्प्रेरक के साथ जोड़ा जा सकता था। इसके अलावा, जबकि उत्प्रेरक उत्प्रेरण के दौरान टूट गया, यह स्वयं मरम्मत कर सकता है। इस प्रायोगिक उत्प्रेरक डिजाइन को कई शोधकर्ताओं द्वारा एक बड़ा सुधार माना गया था। जबकि CO, CO2 का प्रमुख अपचयन उत्पाद है, अधिक जटिल कार्बन यौगिक आमतौर पर वांछित होते हैं। 2008 के दौरान, एंड्रयू बी. बोकार्सली ने एक बहुत ही कुशल प्रकाश रासायनिक कोशिका में सौर ऊर्जा का उपयोग करके कार्बन डाइऑक्साइड और पानी के मेथनॉल में प्रत्यक्ष रूपांतरण की सूचना दी। जबकि नोसेरा और सहकर्मियों ने ऑक्सीजन और प्रोटॉन में पानी के विभाजन को पूरा कर लिया था, हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए एक प्रकाश-संचालित प्रक्रिया वांछनीय है। 2009 के दौरान, लीबनिज़ इंस्टीट्यूट फॉर कैटालिसिस ने बताया कि सस्ते आयरन कार्बोनिल कॉम्प्लेक्स ऐसा करने में सक्षम हैं। उसी वर्ष के दौरान, पूर्वी एंग्लिया विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने 60 प्रतिशत दक्षता के साथ फोटोइलेक्ट्रोकैमिकल हाइड्रोजन उत्पादन प्राप्त करने के लिए लोहे के कार्बोनिल यौगिकों का भी उपयोग किया, इस बार इंडियम फॉस्फाइड की परतों से ढके सोने के इलेक्ट्रोड का उपयोग किया गया, जिससे लोहे के परिसर जुड़े हुए थे। इन दोनों प्रक्रियाओं में एक आणविक दृष्टिकोण का उपयोग किया गया, जहां असतत नैनोकण उत्प्रेरण के लिए जिम्मेदार हैं। 2009 के दौरान, एफ. डेल वैले और के. डोमेन ने प्रकाश उत्प्रेरक का उपयोग करके एक बंद वातावरण में तापीय उपचार के प्रभाव को दिखाया। ठोस घोल सूर्य के प्रकाश विकिरण के तहत पानी के विभाजन से हाइड्रोजन उत्पादन में उच्च गतिविधि की सूचना देता है। 2010 के दौरान कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सांताक्रूज के शोधकर्ताओं द्वारा नाइट्रोजन-डोप्ड और कैडमियम सेलेनाइड क्वांटम डॉट्स-सेंसिटाइज्ड टाइटेनियम डाइऑक्साइड नैनोपार्टिकल्स और नैनोवायर दोनों का उपयोग करके एक मिश्रित विषम/आणविक दृष्टिकोण से भी फोटोप्रोड्यूस्ड हाइड्रोजन प्राप्त हुआ। कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण कई वर्षों तक एक शैक्षणिक क्षेत्र बना रहा। हालाँकि, 2009 की शुरुआत में, मित्सुबिशी केमिकल होल्डिंग्स को "कार्बन निर्माण खंड बनाने के लिए सूर्य के प्रकाश, पानी और कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग करके अपने स्वयं के कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण अनुसंधान को विकसित करने के लिए बताया गया था जिससे रेजिन, प्लास्टिक और फाइबर को संश्लेषित किया जा सकता है।" उस वर्ष बाद में काइटेकी संस्थान की स्थापना के साथ इसकी पुष्टि हुई, जिसमें मुख्य लक्ष्यों में से एक के रूप में कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के माध्यम से कार्बन डाइऑक्साइड में कमी आई। 2010 के दौरान, संयुक्त राज्य अमेरिका के ऊर्जा विभाग ने अपने ऊर्जा नवाचार केंद्रों में से एक के रूप में, कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के लिए संयुक्त केंद्र की स्थापना की। जे. सी. ए. पी. का उद्देश्य निवेश के रूप में केवल सूर्य के प्रकाश, पानी और कार्बन-डाइऑक्साइड का उपयोग करके ईंधन का उत्पादन करने के लिए एक लागत प्रभावी तरीका खोजना है। जे. सी. ए. पी. का प्रबंधन प्रोफेसर नाथन लुईस द्वारा निर्देशित कैलिफोर्निया प्रौद्योगिकी संस्थान (कैल्टेक) की एक टीम द्वारा किया जाता है और यह कैल्टेक और इसके मुख्य भागीदार, लॉरेंस बर्कले राष्ट्रीय प्रयोगशाला के 120 से अधिक वैज्ञानिकों और इंजीनियरों को एक साथ लाता है। जे. सी. ए. पी. स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय, बर्कले में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, यू. सी. एस. बी., कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, इरविन और सैन डिएगो में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय और स्टैनफोर्ड रैखिक त्वरक से प्रमुख भागीदारों की विशेषज्ञता और क्षमताओं को भी आकर्षित करता है। इसके अतिरिक्त, जेसीएपी संयुक्त राज्य भर में अन्य सौर ईंधन अनुसंधान दलों के लिए एक केंद्रीय केंद्र के रूप में कार्य करता है, जिसमें 20 डीओई एनर्जी फ्रंटियर रिसर्च सेंटर शामिल हैं। कार्यक्रम का पांच वर्षों में 122 मिलियन डॉलर का बजट था, जो कांग्रेस के विनियोग के अधीन था। इसके अलावा 2010 के दौरान, सिनसिनाटी विश्वविद्यालय में प्रोफेसर डेविड वेंडेल द्वारा निर्देशित एक टीम ने एक फोम आवास में निलंबित एंजाइमों से युक्त एक कृत्रिम निर्माण में प्रकाश संश्लेषण का सफलतापूर्वक प्रदर्शन किया। 2011 के दौरान, डैनियल नोसेरा और उनकी शोध टीम ने पहले व्यावहारिक कृत्रिम पत्ते के निर्माण की घोषणा की। अमेरिकन केमिकल सोसाइटी की 241वीं राष्ट्रीय बैठक में एक भाषण में, नोसेरा ने एक पोकर कार्ड के आकार के एक उन्नत सौर सेल का वर्णन किया जो पानी को ऑक्सीजन और हाइड्रोजन में विभाजित करने में सक्षम है, जो प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषण की तुलना में लगभग दस गुना अधिक कुशल है। कोशिका ज्यादातर सस्ती सामग्री से बनी होती है जो व्यापक रूप से उपलब्ध होती है, सरल परिस्थितियों में काम करती है, और पिछले उत्प्रेरक की तुलना में अधिक स्थिरता दिखाती हैः प्रयोगशाला अध्ययनों में, लेखकों ने प्रदर्शित किया कि एक कृत्रिम पत्ती प्रोटोटाइप गतिविधि में गिरावट के बिना कम से कम पैंतालीस घंटे तक लगातार काम कर सकता है। मई 2012 में, नोसेरा के शोध पर आधारित स्टार्टअप सन कैटालिटिक्स ने कहा कि यह प्रोटोटाइप को नहीं बढ़ाएगा क्योंकि यह उपकरण सूर्य के प्रकाश से हाइड्रोजन बनाने के अन्य तरीकों की तुलना में कुछ बचत प्रदान करता है। इस क्षेत्र के प्रमुख विशेषज्ञों ने एक संयुक्त ऊर्जा सुरक्षा और जलवायु परिवर्तन समाधान के रूप में कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण पर एक वैश्विक परियोजना के प्रस्ताव का समर्थन किया है। इस विषय पर सम्मेलन 2011 के दौरान लॉर्ड होवे द्वीप में, 2014 में यूके के चिचेली हॉल में और 2016 के दौरान कैनबरा और लॉर्ड होवे द्वीप में आयोजित किए गए हैं। वर्तमान अनुसंधान ऊर्जा के संदर्भ में, प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषण को तीन चरणों में विभाजित किया जा सकता हैः बैक्टीरिया और पौधों में प्रकाश-कटाई परिसर फोटॉन को पकड़ते हैं और उन्हें इलेक्ट्रॉनों में परिवर्तित करते हैं, उन्हें प्रकाश संश्लेषक श्रृंखला में इंजेक्ट करते हैं। प्रकाश संश्लेषक श्रृंखला के कई सह-कारकों के साथ प्रोटॉन-युग्मित इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण, स्थानीय, स्थानिक आवेश पृथक्करण का कारण बनता है। रेडॉक्स उत्प्रेरण, जो पानी को डाइऑक्साइड और प्रोटॉन में ऑक्सीकृत करने के लिए उपरोक्त स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करता है; इन प्रोटॉनों का उपयोग कुछ प्रजातियों में डाइहाइड्रोजन उत्पादन के लिए किया जा सकता है। बायोमिमेटिक दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए, कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण एक ही प्रकार की प्रक्रियाओं को करने वाली प्रणालियों का निर्माण करने का प्रयास करता है। आदर्श रूप से, एक त्रिभुज संयोजन एक उत्प्रेरक के साथ पानी का ऑक्सीकरण कर सकता है, दूसरे के साथ प्रोटॉन को कम कर सकता है और पूरी प्रणाली को शक्ति प्रदान करने के लिए एक प्रकाश संवेदी अणु हो सकता है। सबसे सरल डिजाइनों में से एक वह है जहां प्रकाश संवेदी को जल ऑक्सीकरण उत्प्रेरक और एक हाइड्रोजन विकसित उत्प्रेरक के बीच जोड़ा जाता हैः प्रकाश संवेदी प्रकाश से टकराने पर इलेक्ट्रॉनों को हाइड्रोजन उत्प्रेरक में स्थानांतरित कर देता है, इस प्रक्रिया में ऑक्सीकृत हो जाता है। यह जल विभाजन उत्प्रेरक को प्रकाश संवेदी को इलेक्ट्रॉन दान करने के लिए प्रेरित करता है। त्रिभुज संयोजन में, इस तरह के उत्प्रेरक को अक्सर दाता के रूप में संदर्भित किया जाता है। ऑक्सीकृत दाता जल ऑक्सीकरण करने में सक्षम होता है। एक उत्प्रेरक के एक छोर पर ऑक्सीकृत होने और दूसरे के त्रिभुज के दूसरे छोर पर कम होने के साथ त्रिभुज की स्थिति को आवेश पृथक्करण के रूप में संदर्भित किया जाता है, और आगे इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण के लिए एक प्रेरक बल है, और इसके परिणामस्वरूप उत्प्रेरण होता है। विभिन्न घटकों को विभिन्न तरीकों से इकट्ठा किया जा सकता है, जैसे कि सुपरमोलिक्युलर कॉम्प्लेक्स, कम्पार्टमेंटलाइज्ड कोशिकाएं, या रैखिक रूप से, सहसंयोजक रूप से जुड़े अणु। उत्प्रेरक खोजने में अनुसंधान जो पानी, कार्बन डाइऑक्साइड और सूर्य के प्रकाश को कार्बोहाइड्रेट या हाइड्रोजन में परिवर्तित कर सकता है, एक वर्तमान, सक्रिय क्षेत्र है। प्राकृतिक ऑक्सीजन-विकसित परिसर (ओ. ई. सी.) का अध्ययन करके, शोधकर्ताओं ने इसके कार्य की नकल करने के लिए "ब्लू डाइमर" जैसे उत्प्रेरक विकसित किए हैं। हालाँकि, ये उत्प्रेरक अभी भी अक्षम हैं। फोटोइलेक्ट्रोकैमिकल कोशिकाएँ जो कार्बन डाइऑक्साइड को कार्बन मोनोऑक्साइड (सी. ओ.), फॉर्मिक एसिड (एच. सी. ओ. ओ. एच.) और मेथनॉल (सी. एच. 3. ओ. एच.) में कम करती हैं, विकसित की जा रही हैं। प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषण के समान, इस तरह के कृत्रिम पत्ते समग्र जल विभाजन या CO2 में कमी के लिए प्रकाश अवशोषक का उपयोग कर सकते हैं। इन एकीकृत प्रणालियों को हल्के, लचीले सब्सट्रेट पर इकट्ठा किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप कमल के पत्तों जैसे तैरते उपकरण बनते हैं। अक्षय ऊर्जा उत्पादन के लिए शैवाल से फाइकोबिलिटप्रोटीन विकसित किए जा रहे हैं। हाइड्रोजन उत्प्रेरक हाइड्रोजन संश्लेषित करने के लिए सबसे सरल सौर ईंधन है, क्योंकि इसमें केवल दो इलेक्ट्रॉनों का दो प्रोटॉनों में स्थानांतरण शामिल है। हालाँकि, इसे चरणबद्ध तरीके से किया जाना चाहिए, एक मध्यवर्ती हाइड्राइड आयनन के निर्माण के साथः 2 e − + 2 H + + H − H2 प्रकृति में मौजूद प्रोटॉन-से-हाइड्रोजन परिवर्तित करने वाले उत्प्रेरक हाइड्रोजेनेस हैं। ये ऐसे एंजाइम हैं जो या तो प्रोटॉन को आणविक हाइड्रोजन में कम कर सकते हैं या हाइड्रोजन को प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों में ऑक्सीकृत कर सकते हैं। कई दशकों तक फैले स्पेक्ट्रोस्कोपिक और क्रिस्टलोग्राफिक अध्ययनों के परिणामस्वरूप हाइड्रोजेनेस उत्प्रेरण की संरचना और तंत्र दोनों की अच्छी समझ है। इस जानकारी का उपयोग करते हुए, निकल-लोहा और लोहा-लोहा हाइड्रोजेनेस दोनों के सक्रिय स्थल की संरचना की नकल करने वाले कई अणुओं को संश्लेषित किया गया है। अन्य उत्प्रेरक हाइड्रोजनेज की संरचनात्मक नकल नहीं हैं, बल्कि कार्यात्मक हैं। संश्लेषित उत्प्रेरक में संरचनात्मक एच-क्लस्टर मॉडल, एक डिरोडियम फोटोकैटलिस्ट और कोबाल्ट उत्प्रेरक शामिल हैं। जल-ऑक्सीकरण उत्प्रेरक जल ऑक्सीकरण प्रोटॉन की कमी की तुलना में एक अधिक जटिल रासायनिक प्रतिक्रिया है। प्रकृति में, ऑक्सीजन-विकसित करने वाला परिसर प्रकाश प्रणाली II (पीएस II) के भीतर एक मैंगनीज-कैल्शियम समूह में कम करने वाले समकक्षों (इलेक्ट्रॉनों) को जमा करके इस प्रतिक्रिया को करता है, फिर उन्हें आणविक ऑक्सीजन और प्रोटॉन के परिणामी उत्पादन के साथ पानी के अणुओं तक पहुँचाता हैः 2 एच2ओ → ओ2 + 4 एच + + 4ई-उत्प्रेरक (प्राकृतिक या कृत्रिम) के बिना, यह प्रतिक्रिया बहुत ही एंडोथर्मिक है, जिसके लिए उच्च तापमान (कम से कम 2500 के) की आवश्यकता होती है। ऑक्सीजन विकसित करने वाले परिसर की सटीक संरचना को प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित करना मुश्किल रहा है। 2011 तक, सबसे विस्तृत मॉडल फोटोसिस्टम II की 1.9 Å रिज़ॉल्यूशन क्रिस्टल संरचना से था। परिसर एक समूह है जिसमें चार मैंगनीज और एक कैल्शियम आयन होते हैं, लेकिन समूह के भीतर जल ऑक्सीकरण का सटीक स्थान और तंत्र अज्ञात है। फिर भी, जैव-प्रेरित मैंगनीज और मैंगनीज-कैल्शियम परिसरों को संश्लेषित किया गया है, जैसे कि [Mn4O4] क्यूबेन-प्रकार के समूह, जिनमें से कुछ उत्प्रेरक गतिविधि वाले हैं। कुछ रुथेनियम परिसर, जैसे कि डाइन्यूक्लियर एम. यू.-ऑक्सो-ब्रिज्ड "ब्लू डाइमर" (संश्लेषित किया जाने वाला अपनी तरह का पहला), प्रकाश-संचालित जल ऑक्सीकरण में सक्षम हैं, उच्च संयोजकता अवस्था बनाने में सक्षम होने के लिए धन्यवाद। इस मामले में, रुथेनियम कॉम्प्लेक्स प्रकाश संवेदी और उत्प्रेरक दोनों के रूप में कार्य करता है। ये परिसर और अन्य आणविक उत्प्रेरक अभी भी इस क्षेत्र में शोधकर्ताओं को आकर्षित करते हैं, जिनके अलग-अलग फायदे हैं जैसे कि स्पष्ट संरचना, सक्रिय स्थल और अध्ययन करने में आसान तंत्र। दूर करने के लिए मुख्य चुनौतियों में से एक उनकी अल्पकालिक स्थिरता और कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण उपकरणों में अनुप्रयोगों के लिए उनका प्रभावी विषमजनन है। कई धातु ऑक्साइडों में जल ऑक्सीकरण उत्प्रेरक गतिविधि पाई गई है, जिसमें रुथेनियम (IV) ऑक्साइड (आरयूओ2), इरिडियम (IV) ऑक्साइड (आईआरओ2), कोबाल्ट ऑक्साइड (निकल-डोप्ड सीओ3ओ4 सहित), मैंगनीज ऑक्साइड (स्तरित एमएनओ2 (बर्नेसाइट), एमएन2ओ3 सहित) और एमएन2ओ3 का मिश्रण सीएएमएन2ओ4 के साथ शामिल है। आण्विक उत्प्रेरकों की तुलना में ऑक्साइड प्राप्त करना आसान है, विशेष रूप से अपेक्षाकृत प्रचुर मात्रा में संक्रमण धातुओं (कोबाल्ट और मैंगनीज) से, लेकिन कम कारोबार आवृत्ति और धीमी इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण गुणों से पीड़ित हैं, और उनकी क्रिया के तंत्र को समझना और समायोजित करना मुश्किल है। हाल ही में धातु-कार्बनिक संरचना (एम. ओ. एफ.) आधारित सामग्रियों को पहली पंक्ति संक्रमण धातुओं के साथ जल ऑक्सीकरण के लिए एक अत्यधिक आशाजनक उम्मीदवार के रूप में दिखाया गया है। इस प्रणाली की स्थिरता और अनुकूलता भविष्य के विकास के लिए अत्यधिक फायदेमंद होने का अनुमान है। फोटोसेंसिटाइज़र प्रकृति दृश्य वर्णक्रम के एक व्यापक हिस्से को अवशोषित करने के लिए रंगद्रव्यों, मुख्य रूप से क्लोरोफिल का उपयोग करती है। कृत्रिम प्रणालियाँ व्यापक अवशोषण सीमा के साथ या तो एक प्रकार के वर्णक का उपयोग कर सकती हैं या एक ही उद्देश्य के लिए कई वर्णकों को जोड़ सकती हैं। रूथेनियम पॉलीपाइरिडिन कॉम्प्लेक्स, विशेष रूप से ट्रिस (बाइपाइरिडिन) रूथेनियम (II) और इसके व्युत्पन्न, का उपयोग हाइड्रोजन फोटोप्रोडक्शन में उनके कुशल दृश्य प्रकाश अवशोषण और लंबे समय तक रहने वाले परिणामी धातु-से-लिगैंड चार्ज हस्तांतरण उत्तेजित अवस्था के कारण किया गया है, जो कॉम्प्लेक्स को मजबूत कम करने वाले एजेंट बनाता है। उपयोग किए जाने वाले अन्य उत्कृष्ट धातु युक्त परिसरों में प्लैटिनम, रोडियम और इरिडियम शामिल हैं। धातु-मुक्त जैविक परिसरों को फोटोसेंसिटाइज़र के रूप में भी सफलतापूर्वक नियोजित किया गया है। उदाहरणों में ईओसिन वाई और गुलाब बंगाल शामिल हैं। समान और विषम उत्प्रेरण दोनों के लिए नैनोमटेरियल्स या अर्धचालकों की परत में पोर्फिरिन जैसे पायरोल रिंग का भी उपयोग किया गया है। वर्तमान शोध प्रयासों के हिस्से के रूप में कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के लिए प्रकाश एकत्र करने के कुशल और टिकाऊ तरीकों को निर्धारित करने के लिए कृत्रिम फोटोनिक एंटीना प्रणालियों का अध्ययन किया जा रहा है। Gion Calzaferri (2009) एक ऐसे एंटीना का वर्णन करता है जो पौधे की प्रकाश संग्रह प्रणालियों की नकल करने के लिए जैविक रंगों के लिए एक मेजबान के रूप में जिओलाइट एल का उपयोग करता है। एंटीना को जिओलाइट एल के चैनलों में डाई अणुओं को डालकर बनाया जाता है। प्रविष्टि प्रक्रिया, जो निर्वात और उच्च तापमान स्थितियों में होती है, जिओलाइट ढांचे और डाई अणुओं की सहकारी कंपन गति से संभव होती है। परिणामी सामग्री को एक स्टॉपकॉक मध्यवर्ती के माध्यम से एक बाहरी उपकरण से जोड़ा जा सकता है। कार्बन डाइऑक्साइड में कमी उत्प्रेरक प्रकृति में, केल्विन चक्र के एक भाग के रूप में रुबिस्को एंजाइम का उपयोग करके हरे पौधों द्वारा कार्बन स्थिरीकरण किया जाता है। रबिस्को अन्य एंजाइमों के विशाल बहुमत की तुलना में एक अपेक्षाकृत धीमा उत्प्रेरक है, जो कार्बन डाइऑक्साइड के केवल कुछ अणुओं को रिबूलोज़-1,5-बिसफॉस्फेट प्रति मिनट में शामिल करता है, लेकिन वायुमंडलीय दबाव और हल्की, जैविक स्थितियों में ऐसा करता है। परिणामी उत्पाद को और कम किया जाता है और अंततः ग्लूकोज के संश्लेषण में उपयोग किया जाता है, जो बदले में सेलूलोज़ और स्टार्च जैसे अधिक जटिल कार्बोहाइड्रेट का अग्रदूत है। प्रक्रिया ए. टी. पी. और एन. ए. डी. पी. एच. के रूप में ऊर्जा की खपत करती है। ईंधन उत्पादन के लिए कृत्रिम कार्बन डाइऑक्साइड में कमी का उद्देश्य ज्यादातर वायुमंडलीय कार्बन डाइऑक्साइड से कम कार्बन यौगिकों का उत्पादन करना है। इस उद्देश्य के लिए कुछ संक्रमण धातु पॉलीफॉस्फीन परिसर विकसित किए गए हैं; हालाँकि, उन्हें आमतौर पर उपयोग से पहले CO2 की पिछली सांद्रता की आवश्यकता होती है, और वाहक (अणु जो CO2 को स्थिर करेंगे) जो दोनों एरोबिक स्थितियों में स्थिर हैं और वायुमंडलीय सांद्रता पर CO2 को केंद्रित करने में सक्षम हैं, अभी तक विकसित नहीं किए गए हैं। कार्बन डाइऑक्साइड में कमी से सबसे सरल उत्पाद कार्बन मोनोऑक्साइड (सी. ओ.) है, लेकिन ईंधन के विकास के लिए, आगे की कमी की आवश्यकता है, और आगे के विकास की आवश्यकता वाला एक प्रमुख कदम हाइड्राइड आयनों का सी. ओ. में स्थानांतरण है। ईंधन का फोटोबायोलॉजिकल उत्पादन कुछ फोटोआटोट्रॉफिक सूक्ष्मजीव कुछ स्थितियों में हाइड्रोजन का उत्पादन कर सकते हैं। नाइट्रोजन-फिक्सिंग सूक्ष्मजीव, जैसे कि फिलामेंटस साइनोबैक्टीरिया, में एंजाइम नाइट्रोजन होता है, जो वायुमंडलीय एन2 को अमोनिया में बदलने के लिए जिम्मेदार होता है; आणविक हाइड्रोजन इस प्रतिक्रिया का एक उपोत्पाद है, और कई बार सूक्ष्मजीव द्वारा जारी नहीं किया जाता है, बल्कि हाइड्रोजन-ऑक्सीकरण (अपटेक) हाइड्रोजनेज द्वारा लिया जाता है। इन जीवों को हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए मजबूर करने का एक तरीका है हाइड्रोजन ग्रहण गतिविधि को समाप्त करना। यह नॉस्टोक पंक्टिफॉर्म के एक प्रकार पर किया गया हैः NiFe अपटेक हाइड्रोजेनेस के संरचनात्मक जीनों में से एक को सम्मिलन उत्परिवर्तन द्वारा निष्क्रिय कर दिया गया था, और उत्परिवर्ती प्रकार ने रोशनी के तहत हाइड्रोजन के विकास को दिखाया। इनमें से कई फोटोआटोट्रोफ़ में द्विदिशात्मक हाइड्रोजेनेस भी होते हैं, जो कुछ स्थितियों में हाइड्रोजन का उत्पादन कर सकते हैं। हालांकि, अन्य ऊर्जा की मांग करने वाले चयापचय मार्ग प्रोटॉन की कमी के लिए आवश्यक इलेक्ट्रॉनों के साथ प्रतिस्पर्धा कर सकते हैं, जिससे समग्र प्रक्रिया की दक्षता कम हो जाती है; साथ ही, ये हाइड्रोजेनेस ऑक्सीजन के प्रति बहुत संवेदनशील होते हैं। 1-ब्यूटेनॉल जैसे साइनोबैक्टीरिया का उपयोग करके कई कार्बन-आधारित जैव ईंधन का भी उत्पादन किया गया है। इस विषय के लिए कृत्रिम जीव विज्ञान तकनीकों के उपयोगी होने की भविष्यवाणी की गई है। माइक्रोबायोलॉजिकल और एंजाइमेटिक इंजीनियरिंग में एंजाइम दक्षता और मजबूती में सुधार करने के साथ-साथ फोटोआटोट्रोफ्स में नए जैव ईंधन उत्पादक चयापचय मार्गों का निर्माण करने की क्षमता है, जिनमें पहले उनकी कमी थी, या मौजूदा मार्गों में सुधार करने की क्षमता है। विकसित किया जा रहा एक अन्य विषय वाणिज्यिक अनुप्रयोग के लिए फोटोबायोरिएक्टरों का अनुकूलन है। खाद्य उत्पादन शोधकर्ताओं ने अंधेरे में विविध खाद्य पदार्थों की नियंत्रित वृद्धि हासिल की है। यह खाद्य उत्पादन की ऊर्जा दक्षता बढ़ाने और इसके पर्यावरणीय प्रभावों को कम करने का एक तरीका बन सकता है। हालाँकि, यह स्पष्ट नहीं है कि प्रयोगात्मक प्रक्रिया पर आधारित खाद्य उत्पादन तंत्र व्यवहार्य हैं और इन्हें बढ़ाया जा सकता है या नहीं। प्रयुक्त अनुसंधान तकनीक कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण में अनुसंधान अनिवार्य रूप से एक बहु-विषयक विषय है, जिसके लिए विभिन्न विशेषज्ञता की आवश्यकता होती है। उत्प्रेरक और सौर कोशिकाओं के निर्माण और जांच में नियोजित कुछ तकनीकों में शामिल हैंः कार्बनिक और अकार्बनिक रासायनिक संश्लेषण। इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री विधियाँ, जैसे फोटोइलेक्ट्रोकैमिस्ट्री, साइक्लिक वोल्टैमेट्री, इलेक्ट्रोकेमिकल इम्पीडेन्स स्पेक्ट्रोस्कोपी, डाइलेक्ट्रिक स्पेक्ट्रोस्कोपी और बल्क इलेक्ट्रोलिसिस। स्पेक्ट्रोस्कोपिक विधियाँः तेज तकनीकें, जैसे कि समय-हल स्पेक्ट्रोस्कोपी और अल्ट्राफास्ट लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी; चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी, जैसे कि परमाणु चुंबकीय अनुनाद, इलेक्ट्रॉन पैरामैग्नेटिक अनुनाद; एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी विधियाँ, जिसमें एक्स-रे अवशोषण जैसे कि XANES और EXAFS शामिल हैं, लेकिन एक्स-रे उत्सर्जन भी। क्रिस्टलोग्राफी। आणविक जीवविज्ञान, सूक्ष्म जीवविज्ञान और कृत्रिम जीवविज्ञान पद्धतियाँ। कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के माध्यम से सौर ईंधन उत्पादन के लाभ, नुकसान और दक्षता में शामिल हैंः सौर ऊर्जा को तुरंत परिवर्तित और संग्रहीत किया जा सकता है। फोटोवोल्टिक कोशिकाओं में, सूर्य के प्रकाश को बिजली में परिवर्तित किया जाता है और फिर भंडारण के लिए फिर से रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है, जिसमें दूसरे रूपांतरण से जुड़ी ऊर्जा के कुछ आवश्यक नुकसान होते हैं। इन प्रतिक्रियाओं के उपोत्पाद पर्यावरण के अनुकूल हैं। कृत्रिम रूप से प्रकाश संश्लेषित ईंधन ऊर्जा का एक कार्बन-तटस्थ स्रोत होगा, जिसका उपयोग परिवहन या घरों के लिए किया जा सकता है। नुकसान में शामिल हैंः कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री अक्सर पानी में खराब हो जाती है, इसलिए वे लंबे समय तक फोटोवोल्टिक की तुलना में कम स्थिर हो सकती हैं। अधिकांश हाइड्रोजन उत्प्रेरक ऑक्सीजन के प्रति बहुत संवेदनशील होते हैं, जो इसकी उपस्थिति में निष्क्रिय या खराब हो जाते हैं; साथ ही, समय के साथ फोटोडैमेज भी हो सकता है। ऊर्जा के व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य स्रोत के रूप में जीवाश्म ईंधन के साथ प्रतिस्पर्धा करने के लिए लागत (अभी तक) पर्याप्त लाभप्रद नहीं है। आमतौर पर उत्प्रेरक डिजाइन में संबोधित एक चिंता दक्षता है, विशेष रूप से व्यवहार में एक प्रणाली में आपतित प्रकाश का कितना उपयोग किया जा सकता है। यह प्रकाश संश्लेषक दक्षता के साथ तुलनीय है, जहां प्रकाश से रासायनिक-ऊर्जा रूपांतरण को मापा जाता है। प्रकाशसंश्लेषक जीव घटना सौर विकिरण का लगभग 50 प्रतिशत एकत्र करने में सक्षम हैं, हालांकि प्रकाशसंश्लेषक दक्षता की सैद्धांतिक सीमा सी3 और सी4 पौधों के लिए क्रमशः 4.6 और 6 प्रतिशत है। वास्तव में, प्रकाश संश्लेषण की दक्षता बहुत कम है और आमतौर पर 1 प्रतिशत से कम होती है, कुछ अपवादों के साथ जैसे उष्णकटिबंधीय जलवायु में गन्ना। इसके विपरीत, कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण प्रयोगशाला प्रोटोटाइप के लिए उच्चतम रिपोर्ट की गई दक्षता 22.4% है। हालांकि, पौधे वायुमंडलीय सांद्रता पर CO2 का उपयोग करने में कुशल हैं, कुछ ऐसा जो कृत्रिम उत्प्रेरक अभी भी नहीं कर सकते हैं। बैक्टीरियोरहोडॉप्सिन ए. टी. पी. सिंथेस फोटोइलेक्ट्रोकैमिस्ट्री एल्गी. पी. ए. आर. सी. कार्बन पदचिह्न ईंधन कोशिका हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था उभरती प्रौद्योगिकियों की सूची चयापचय इंजीनियरिंग फोटोसेंसिटाइज़र संदर्भ बाहरी लिंक इंजीनियरिंग प्रकाश-सक्रिय धातु प्रोटीन ऑस्ट्रेलिया राष्ट्रीय विश्वविद्यालय में पानी को विभाजित करने के लिए डैनियल नोसेरा ने मैसाचुसेट्स प्रौद्योगिकी संस्थान में सौर ऊर्जा के भंडारण के लिए नई प्रक्रिया का वर्णन किया है। कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के लिए लॉरेंस बर्कले राष्ट्रीय प्रयोगशाला में कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण पर पॉल एलिविसाटोस एक नैनोवर्क समाचार लेख एम. आई. टी. सौर क्रांति परियोजना हाइड्रोजन उत्पादन प्रकाश रसायन अक्षय ऊर्जा प्रौद्योगिकी ईंधन उत्पादन उभरती प्रौद्योगिकियां