कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण

कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण एक रासायनिक प्रक्रिया है जो सूर्य के प्रकाश, जल और कार्बन डाइऑक्साइड को कार्बोहाइड्रेट और ऑक्सीजन में परिवर्तित करने के लिए प्रकाश संश्लेषण की प्राकृतिक प्रक्रिया बायोमिमेटिक है। कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण शब्द का उपयोग सामान्यतः पर ईंधन (एक सौर ईंधन) के रासायनिक बंधों में सूर्य के प्रकाश से ऊर्जा को पकड़ने और संग्रहीत करने के लिए किसी भी योजना को संदर्भित करने के लिए किया जाता है। Photocatalytic जल विभाजन जल को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में परिवर्तित करता है और कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण का एक प्रमुख शोध विषय है। प्रकाश-संचालित कार्बन डाइऑक्साइड की कमी एक और प्रक्रिया है जिसका अध्ययन किया गया है जो प्राकृतिक कार्बन निर्धारण की नकल करता है।

इस विषय पर अनुसंधान में सौर ईंधन के प्रत्यक्ष उत्पादन, फोटोइलेक्ट्रोकेमिस्ट्री और ईंधन कोशिकाओं में इसके अनुप्रयोग, और सूक्ष्मजैविक जैव ईंधन और सूर्य के प्रकाश से बायोहाइड्रोजन उत्पादन के लिए किण्वकों और प्रकाशस्वपोषित सूक्ष्मजीवों की अभियान्त्रिकी के लिए उपकरणों की रचना और संयोजन सम्मिलित है।

अवलोकन
प्रकाश संश्लेषक प्रतिक्रिया को रेडोक्स की दो अर्ध-प्रतिक्रियाओं में विभाजित किया जा सकता है, जो दोनों ईंधन के उत्पादन के लिए आवश्यक हैं। पादप प्रकाश संश्लेषण में, ऑक्सीजन और प्रोटॉन छोड़ने के लिए जल के अणु फोटो-ऑक्सीकृत होते हैं। पादप प्रकाश संश्लेषण का दूसरा चरण (केल्विन-बेन्सन चक्र के रूप में भी जाना जाता है) एक प्रकाश-स्वतंत्र प्रतिक्रिया है जो कार्बन डाइऑक्साइड को शर्करा (ईंधन) में परिवर्तित करती है। कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के शोधकर्ता photocatalyst विकसित कर रहे हैं जो इन दोनों प्रतिक्रियाओं को करने में सक्षम हैं। इसके अतिरिक्त, जल के विखंडन से उत्पन्न प्रोटॉन का उपयोग हाइड्रोजन उत्पादन के लिए किया जा सकता है। ये उत्प्रेरक तेजी से प्रतिक्रिया करने और घटना को सौर फोटोन के एक बड़े प्रतिशत को अवशोषित करने में सक्षम होना चाहिए। जबकि फोटोवोल्टिक सीधे सूर्य के प्रकाश से ऊर्जा प्रदान कर सकता है, 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  प्रणाली जैव ईंधन के उत्पादन के लिए है, जो एक अप्रत्यक्ष प्रक्रिया है जो कम ऊर्जा रूपांतरण दक्षता (प्रकाश संश्लेषण की सूर्य की रोशनी को बायोमास में परिवर्तित करने में अपनी कम दक्षता के कारण) से ग्रस्त है, ईंधन की कटाई और परिवहन की लागत, और खाद्य उत्पादन के लिए भूमि की बढ़ती आवश्यकता के कारण संघर्ष। कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण का उद्देश्य सूर्य के प्रकाश से ईंधन का उत्पादन करना है जिसे सरलता से संग्रहित किया जा सकता है और सूर्य के प्रकाश के उपलब्ध न होने पर इसका उपयोग किया जा सकता है। सौर ईंधन का उत्पादन करने के लिए प्रत्यक्ष प्रक्रियाओं का उपयोग करके। प्रकाश संश्लेषण के प्रमुख भागों को पुन: उत्पन्न करने में सक्षम उत्प्रेरक के विकास के साथ, जल और सूर्य का प्रकाश अंततः स्वच्छ ऊर्जा उत्पादन के लिए एकमात्र आवश्यक स्रोत होंगे। एकमात्र उपोत्पाद ऑक्सीजन होगा, और सौर ईंधन के उत्पादन में गैसोलीन की तुलना में सस्ता होने की संभावना है। एक स्वच्छ और सस्ती ऊर्जा आपूर्ति के निर्माण की प्रक्रिया सौर प्रकाश के तहत फोटोकैटलिटिक जल विभाजन का विकास है। वैकल्पिक ऊर्जा प्रणालियों के विकास के लिए स्थायी हाइड्रोजन उत्पादन की यह विधि एक प्रमुख उद्देश्य है। यह जल से हाइड्रोजन प्राप्त करने के सबसे कुशल तरीकों में से एक होने की भी भविष्यवाणी की जाती है। फोटोअर्धचालक उत्प्रेरकों द्वारा सहायता प्राप्त जल-विभाजन प्रक्रिया के माध्यम से सौर ऊर्जा का हाइड्रोजन में रूपांतरण विकास में सबसे आशाजनक प्रौद्योगिकियों में से एक है। इस प्रक्रिया में पारिस्थितिक रूप से ध्वनि तरीके से बड़ी मात्रा में हाइड्रोजन उत्पन्न करने की क्षमता है। सौर ऊर्जा का स्वच्छ ईंधन में रूपांतरण (H2) परिवेशी परिस्थितियों में इक्कीसवीं सदी में वैज्ञानिकों के सामने सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक है। हाइड्रोजन उत्पादन के लिए सौर ईंधन सेल के निर्माण के लिए सामान्यतः पर दो विधियों को मान्यता दी जाती है:
 * एक सजातीय प्रणाली वह है जिसमें उत्प्रेरक विभागीकरण नहीं होते हैं,अर्थात घटक एक ही कक्ष में उपस्थित होते हैं। इसका अभिप्राय है कि एक ही स्थान पर हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का उत्पादन होता है। यह दोष हो सकता है, क्योंकि वे एक विस्फोटक मिश्रण बनाते हैं, जिसके लिए गैस उत्पाद को अलग करने की आवश्यकता होती है। साथ ही, सभी घटकों को लगभग समान स्थितियों (जैसे, pH) में सक्रिय होना चाहिए।
 * एक विषम प्रणाली में दो अलग-अलग इलेक्ट्रोड होते हैं, एक एनोड और एक कैथोड, जिससे ऑक्सीजन और हाइड्रोजन उत्पादन को अलग करना संभव हो जाता है। इसके अतिरिक्त, विभिन्न घटकों को समान परिस्थितियों में काम करने की आवश्यकता नहीं है। हालांकि, इन प्रणालियों की बढ़ी हुई जटिलता उन्हें विकसित करने के लिए कठिन और अधिक महंगी बनाती है।

कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के भीतर अनुसंधान का एक अन्य क्षेत्र सौर ईंधन के उत्पादन के लिए प्रकाश संश्लेषक सूक्ष्मजीवों, अर्थात् हरे सूक्ष्म शैवाल और साइनोबैक्टीरीया का चयन और हेरफेर है। कई स्ट्रेन (जीव विज्ञान) स्वाभाविक रूप से हाइड्रोजन का उत्पादन करने में सक्षम हैं, और वैज्ञानिक उन्हें सुधारने के लिए काम कर रहे हैं। बुटेनॉल और मेथनॉल जैसे शैवाल ईंधन का उत्पादन प्रयोगशाला और व्यावसायिक दोनों स्तरों पर किया जाता है। इस पद्धति ने संश्लेषित जीव विज्ञान विज्ञान के विकास से लाभ उठाया है, जिसे जे. क्रेग वेंटर इंस्टीट्यूट द्वारा जैव ईंधन उत्पादन में सक्षम संश्लेषित 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।

इतिहास
1912 के पर्यन्त इतालवी रसायनज्ञ गियाकोमो सियामिसियन द्वारा पहली बार कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण का अनुमान लगाया गया था। एक व्याख्यान में जो बाद में विज्ञान (पत्रिका) में प्रकाशित हुआ उन्होंने जीवाश्म ईंधन के उपयोग से सूर्य द्वारा प्रदान की जाने वाली उज्ज्वल ऊर्जा और तकनीकी प्रकाश रसायन उपकरणों द्वारा अभिग्रहण कर लिया जाने का प्रस्ताव रखा। इस स्विच में उन्होंने यूरोप के अमीर उत्तर और गरीब दक्षिण के बीच के अंतर कोयला कम करने की संभावना देखी और अनुमान लगाया कि कोयले से सौर ऊर्जा में यह स्विच प्रगति और मानव खुशी के लिए हानिकारक नहीं होगा। 1960 के दशक के उत्तरार्ध के पर्यन्त, अकीरा फुजिशिमा ने टाइटेनियम डाइऑक्साइड के फोटोकैटलिटिक गुणों की खोज की, जिसे होंडा-फुजिशिमा प्रभाव कहा जाता है, जिसका उपयोग हाइड्रोलिसिस के लिए किया जा सकता है।

एक टुकड़ा मल्टीजंक्शन अर्धचालक उपकरण (बनाम टाइटेनियम डाइऑक्साइड सेमीकंडक्टर्स के साथ UV प्रकाश) के साथ दर्शनीय प्रकाश जल विभाजन को पहली बार 1983 के पर्यन्त ऊर्जा रूपांतरण उपकरणों में विलियम आयर्स द्वारा प्रदर्शित और एकस्वित कराया गया था। इस समूह ने हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में जल के प्रकाशिक वियोजन का प्रदर्शन किया, जिसे अब कम लागत वाली कृत्रिम पत्ती के रूप में संदर्भित किया जाता है, पतली झिल्ली अनाकार सिलिकॉन मल्टीसंयोजनफलक को सीधे जल में डुबोया जाता है। विभिन्न उत्प्रेरकों से सजाए गए अग्र अनाकार सिलिकॉन सतह पर हाइड्रोजन विकसित हुआ, जबकि पीछे की ओर धातु अधःस्तर से ऑक्सीजन विकसित हुई, जिसने मिश्रित हाइड्रोजन/ऑक्सीजन गैस के विकास के खतरे को भी समाप्त कर दिया। डूबे हुए उपकरण के ऊपर बहुलक झिल्ली ने प्रोटॉन परिवहन के लिए एक मार्ग प्रदान किया। दृश्य प्रकाश के साथ मल्टीसंयोजनपतली झिल्ली उपकरण से उपलब्ध उच्च फोटोवोल्टेज UV या अन्य एकल संयोजन अर्धचालक फोटोइलेक्ट्रोड के साथ पिछले प्रकाश-अपघटन प्रयासों की तुलना में एक प्रमुख अग्रिम था। समूह के एकस्वित में अक्रिस्टलीय सिलिकॉन के अतिरिक्त कई अन्य अर्धचालक बहु-संयोजन रचनाएं भी सूचीबद्ध हैं।

कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के लिए स्वीडिश कंसोर्टियम, अपनी तरह का पहला, 1994 के पर्यन्त तीन अलग-अलग विश्वविद्यालयों, लुंड विश्वविद्यालय, उप्साला विश्वविद्यालय और स्टॉकहोम विश्वविद्यालय के समूहों के बीच सहयोग के रूप में स्थापित किया गया था, जो वर्तमान में लुंड और उप्साला में एंगस्ट्रॉम प्रयोगशालाओं के आसपास सक्रिय है। कंसोर्टियम को प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषण से सीखने और बायोमिमेटिक प्रणाली में इस ज्ञान को लागू करने पर ध्यान केंद्रित करने के लिए एक बहु-विषयक दृष्टिकोण के साथ बनाया गया था।

21 वीं सदी के प्रारम्भ में कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के अनुसंधान में तेजी आ रही है। 2000 के पर्यन्त, राष्ट्रमंडल वैज्ञानिक और औद्योगिक अनुसंधान संगठन (CSIRO) के शोधकर्ताओं ने कार्बन डाइऑक्साइड अभिग्रहण और हाइड्रोकार्बन में इसके रूपांतरण पर जोर देने के अपने उद्देश्य को प्रचारित किया। 2003 में, ब्रुकहैवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला ने CO2 को CO में कम करने के एक महत्वपूर्ण मध्यवर्ती भाग की खोज की घोषणा की (सरल संभव कार्बन डाइऑक्साइड कमी प्रतिक्रिया) के लिए, जिसके परिणामस्वरूप उत्तम उत्प्रेरक हो सकते हैं। जल-विभाजन उत्प्रेरक के लिए कृत्रिम प्रणालियों के हानिों में से दुर्लभ, महंगे तत्वों, जैसे रूथेनियम या रेनियम पर उनकी सामान्य निर्भरता है। 2008 के पर्यन्त, संयुक्त राज्य वायु सेना वैज्ञानिक अनुसंधान कार्यालय के वित्त पोषण के साथ, MIT के रसायनज्ञ और सौर क्रांति परियोजना के निदेशक डैनियल जी नोसेरा और पोस्टडॉक्टोरल साथी मैथ्यू कानन ने सस्ते और अधिक प्रचुर मात्रा में कोबाल्ट और फॉस्फेट वाले उत्प्रेरक का उपयोग करके इस समस्या को दूर करने का प्रयास किया। उत्प्रेरक सूर्य के प्रकाश का उपयोग करके जल 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 अतिरिक्त, जबकि उत्प्रेरक उत्प्रेरण के पर्यन्त टूट गया, यह स्वयं की मरम्मत कर सकता था। इस प्रयोगात्मक उत्प्रेरक युक्ति को कई शोधकर्ताओं ने एक बड़ा सुधार माना।

जबकि CO, CO2 का प्रधान अपचयन उत्पाद है और अधिक जटिल कार्बन यौगिक सामान्यतः पर वांछित होते हैं। 2008 के पर्यन्त, एंड्रयू बी. बोकार्स्ली ने एक बहुत ही कुशल प्रकाश रासायनिक कोशिका में सौर ऊर्जा का उपयोग करके कार्बन डाइऑक्साइड और जल के मेथनॉल में सीधे रूपांतरण की सूचना दी। जबकि नोकेरा और सहकर्मियों ने ऑक्सीजन और प्रोटॉन के लिए जल के विभाजन को पूरा कर लिया था, हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए प्रकाश-संचालित प्रक्रिया वांछनीय है। 2009 के पर्यन्त, लाइबनिट्स इंस्टीट्यूट फॉर कैटालिसिस ने सस्ती लौह कार्बोनिल परिसरों की व्याख्या करने में सक्षम थे। इन दोनों प्रक्रियाओं में एक आणविक दृष्टिकोण का उपयोग किया जाता है, जहां असतत नैनोकण उत्प्रेरण के लिए जिम्मेदार होते हैं।

2009 के पर्यन्त, F. del Valle और K. Domen ने एक बंद वातावरण में तापीय उपचार के प्रभाव का उपयोग करके दिखाया photocatalyst. ठोस समाधान सूरज की रोशनी के विकिरण के तहत जल के विघटन से हाइड्रोजन उत्पादन में उच्च गतिविधि की व्याख्या करता है। 2010 के पर्यन्त कैलिफ़ोर्निया विश्वविद्यालय, सांता क्रूज़ के शोधकर्ताओं द्वारा नाइट्रोजन-डोपिंग (सेमीकंडक्टर) और कैडमियम सेलेनाइड क्वांटम डॉट्स-सेंसिटाइज़्ड टाइटेनियम डाइऑक्साइड नैनोकणों और नैनोवायर का उपयोग करके एक मिश्रित विषम/आणविक दृष्टिकोण से भी फोटोप्रोड्यूस्ड हाइड्रोजन प्राप्त हुआ। कई वर्षों तक कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण एक शैक्षणिक क्षेत्र बना रहा। हालाँकि, 2009 की शुरुआत में, मित्सुबिशी केमिकल होल्डिंग्स को कार्बन बिल्डिंग ब्लॉक्स बनाने के लिए सूर्य के प्रकाश, जल और कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग करके अपने स्वयं के कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण अनुसंधान को विकसित करने की सूचना मिली थी जिससे रेजिन, प्लास्टिक और फाइबर को संश्लेषित किया जा सकता है। उस वर्ष बाद में KAITEKI 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 की कमी थी। 2010 के पर्यन्त, अमेरिकी ऊर्जा विभाग ने अपने यूनाइटेड स्टेट्स डिपार्टमेंट ऑफ़ एनर्जी इनोवेशन हब्स में से एक के रूप में कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के लिए संयुक्त केंद्र की स्थापना की। JCAP का उद्देश्य निविष्ट के रूप में केवल सूर्य के प्रकाश, जल और कार्बन-डाइऑक्साइड का उपयोग करके ईंधन का उत्पादन करने के लिए एक लागत प्रभावी प्रणाली खोजना है। JCAP का प्रबंधन कैलिफोर्निया प्रौद्योगिकी संस्थान (कैल्टेक) की एक टीम द्वारा किया जाता है, जो प्रोफेसर नाथन लुईस (केमिस्ट) द्वारा निर्देशित है और कैलटेक और इसके मुख्य भागीदार लॉरेंस बर्कले राष्ट्रीय प्रयोगशाला के 120 से अधिक वैज्ञानिकों और अभियंता को एक साथ लाता है। JCAP स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय, बर्कले में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, UCSB, 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, JCAP 20 DOE एनर्जी फ्रंटियर रिसर्च सेंटर सहित संयुक्त राज्य भर में अन्य सौर ईंधन अनुसंधान समूहों के लिए एक केंद्रीय केंद्र के रूप में कार्य करता है। कांग्रेस के विनियोग के अधीन कार्यक्रम में पाँच वर्षों में $ 122M का बजट है इसके अतिरिक्त 2010 के पर्यन्त, सिनसिनाटी विश्वविद्यालय में प्रोफेसर डेविड वेंडेल द्वारा निर्देशित एक समूह ने कोप आवास में निलंबित किण्वकों से युक्त एक कृत्रिम निर्माण में प्रकाश संश्लेषण का सफलतापूर्वक प्रदर्शन किया। 2011 के पर्यन्त, डैनियल नोकेरा और उनकी शोध समूह ने पहली व्यावहारिक कृत्रिम पत्ती के निर्माण की घोषणा की। अमेरिकन केमिकल सोसायटी की 241 वीं राष्ट्रीय बैठक में एक भाषण में, नोकेरा ने एक उन्नत सौर सेल का वर्णन किया जो एक पोकर कार्ड के आकार का है जो जल को ऑक्सीजन और हाइड्रोजन में विभाजित करने में सक्षम है, जो प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषण की तुलना में लगभग दस गुना अधिक कुशल है। सेल ज्यादातर सस्ती सामग्रियों से बना है जो व्यापक रूप से उपलब्ध हैं, सरल परिस्थितियों में काम करती हैं, और पिछले उत्प्रेरकों की तुलना में बढ़ी हुई स्थिरता दिखाती हैं: प्रयोगशाला अध्ययनों में, लेखकों ने प्रदर्शित किया कि एक कृत्रिम पत्ती का मूलरूप कम से कम पैंतालीस घंटों तक लगातार काम कर सकता है। गतिविधि में कमी। मई 2012 में, नोसेरा के शोध पर आधारित स्टार्टअप, सूर्य उत्प्रेरक ने कहा कि यह प्रोटोटाइप को अनुमाप परिवर्तन नहीं करेगा क्योंकि उपकरण सूरज की रोशनी से हाइड्रोजन बनाने के अन्य तरीकों पर कुछ बचत प्रदान करता है क्षेत्र के अग्रणी विशेषज्ञों ने संयुक्त ऊर्जा सुरक्षा और जलवायु परिवर्तन समाधान के रूप में कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण पर वैश्विक परियोजना के प्रस्ताव का समर्थन किया है। 2011 के पर्यन्त लॉर्ड होवे द्वीप में इस विषय पर सम्मेलन आयोजित किए गए हैं, 2014 में यूके में चिचेले हॉल में और 2016 के पर्यन्त कैनबरा और लॉर्ड होवे द्वीप पर।

वर्तमान शोध
ऊर्जा के संदर्भ में, प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषण को तीन चरणों में विभाजित किया जा सकता है: *


 * जीवाणु और पौधों में प्रकाश संचयन परिसर फोटोन को पकड़ते हैं और उन्हें इलेक्ट्रॉनों में पारक्रमित्र करते हैं, उन्हें प्रकाश संश्लेषक श्रृंखला में अंतःक्षेपी करते हैं।


 * प्रकाश संश्लेषक श्रृंखला के कई सहकारकों के साथ प्रोटॉन-युग्मित इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण, स्थानीय, स्थानिक फोटोप्रेरित आवेश पृथक्करण का कारण बनता है।
 * रेडॉक्स कटैलिसीस, जो जल को डाइऑक्सीजन और प्रोटॉन में ऑक्सीकृत करने के लिए उपरोक्त स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करता है; ये प्रोटॉन कुछ प्रजातियों में बायोहाइड्रोजन के लिए उपयोग किए जा सकते हैं।

बायोमिमेटिक दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए, कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण एक ही प्रकार की प्रक्रियाओं को करने वाली प्रणालियों का निर्माण करने की कोशिश करता है। आदर्श रूप से, एक कैटेलिटिक ट्रायड संयोजन एक उत्प्रेरक के साथ जल का ऑक्सीकरण कर सकती है, दूसरे के साथ प्रोटॉन को कम कर सकती है और पूरे प्रणाली को शक्ति प्रदान करने के लिए प्रकाश-सुग्राहीकारक अणु हो सकता है। सबसे सरल युक्ति में से एक है जहां प्रकाश-सुग्राहीकारक जल ऑक्सीकरण उत्प्रेरक और हाइड्रोजन विकसित उत्प्रेरक के बीच मिलकर जुड़ा हुआ है: उत्प्रेरक के साथ त्रय की स्थिति एक छोर पर ऑक्सीकृत होती है और दूसरा त्रय के दूसरे छोर पर कम हो जाता है, इसे आवेश पृथक्करण के रूप में संदर्भित किया जाता है, और यह आगे के इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण के लिए प्रेरक शक्ति है, और इसके परिणामस्वरूप उत्प्रेरण होता है। अलग-अलग घटकों को विविध तरीकों से इकट्ठा किया जा सकता है, जैसे कि अधिआण्विक परिसर, विभाजित कोशिका, या रैखिक रूप से, सहसंयोजक जुड़े अणु।
 * प्रकाश से प्रभावित होने पर प्रकाश-सुग्राहीकारक इलेक्ट्रॉनों को हाइड्रोजन उत्प्रेरक में स्थानांतरित करता है, इस प्रक्रिया में ऑक्सीकृत हो जाता है।
 * यह जल विभाजन उत्प्रेरक को प्रकाश-सुग्राहीकारक को इलेक्ट्रॉन दान करने के लिए प्रेरित करता है। त्रिक संयोजन में, ऐसे उत्प्रेरक को प्रायः दाता के रूप में संदर्भित किया जाता है। ऑक्सीकृत दाता जल ऑक्सीकरण करने में सक्षम है।

जल, कार्बन डाइऑक्साइड, और सूर्य के प्रकाश को कार्बोहाइड्रेट या हाइड्रोजन में परिवर्तित करने वाले उत्प्रेरक खोजने में अनुसंधान एक वर्तमान, सक्रिय क्षेत्र है। प्राकृतिक ऑक्सीजन-विकसित परिसर (OEC) का अध्ययन करके, शोधकर्ताओं ने इसके कार्य की नकल करने के लिए नीला द्वितय जैसे उत्प्रेरक विकसित किए हैं। हालाँकि, ये उत्प्रेरक अभी भी अक्षम हैं।

फोटोइलेक्ट्रॉनिक कोशिकाएं जो कार्बन डाइऑक्साइड को कार्बन मोनोऑक्साइड (CO), फॉर्मिक एसिड (HCOOH) और मेथनॉल (CH3OH) विकास के अधीन हैं। प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषण के समान, ऐसे कृत्रिम पत्ते समग्र जल विभाजन या CO2 के लिए प्रकाश अवशोषक के अग्रानुक्रम का उपयोग कर सकते हैं कमी। इन एकीकृत प्रणालियों को हल्के, लचीले अधःस्तर पर इकट्ठा किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप कमल के पत्तों के समान अस्थिर उपकरण होते हैं। अक्षय ऊर्जा उत्पादन के लिए शैवाल से फाइकोबिलिप्रोटिन का विकास किया जा रहा है।

हाइड्रोजन उत्प्रेरक
हाइड्रोजन संश्लेषित करने के लिए सबसे सरल सौर ईंधन है, क्योंकि इसमें केवल दो इलेक्ट्रॉनों का दो प्रोटॉन में स्थानांतरण सम्मिलित है। हालाँकि, यह मध्यवर्ती हाइड्राइड आयनों के गठन के साथ, चरणबद्ध तरीके से किया जाना चाहिए:
 * 2 e− + 2 H+ ⇌ H+ + H− ⇌ H2

प्रकृति में उपस्थित प्रोटॉन-टू-हाइड्रोजन परिवर्तित उत्प्रेरक हाइड्रोजन गैस हैं। ये एंजाइम हैं जो या तो प्रोटॉन को आणविक हाइड्रोजन में कम कर सकते हैं या हाइड्रोजन को प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों में ऑक्सीकरण कर सकते हैं। कई दशकों में फैले स्पेक्ट्रोस्कोपी और प्रोटीन क्रिस्टलोग्राफी अध्ययन के परिणामस्वरूप हाइड्रोजनेस कटैलिसीस की संरचना और तंत्र दोनों की अच्छी समझ हुई है। इस जानकारी का उपयोग करते हुए, कई अणु हाइड्रोजनेज़ निकेल-आश्रित हाइड्रोजनेज दोनों की सक्रिय स्थिति की संरचना की नकल करते हैं | निकल-लौह और लौह-लौह हाइड्रोजनीज़ को संश्लेषित किया गया है। अन्य उत्प्रेरक हाइड्रोजनेज के संरचनात्मक नकल नहीं हैं बल्कि कार्यात्मक हैं। संश्लेषित उत्प्रेरकों में संरचनात्मक एच-क्लस्टरप्रतिरूप सम्मिलित हैं, एक डायरोडियम फोटोकैटलिस्ट, और कोबाल्ट उत्प्रेरक।

जल-ऑक्सीकरण उत्प्रेरक
प्रोटॉन अपचयन की तुलना में जल ऑक्सीकरण एक अधिक जटिल रासायनिक प्रतिक्रिया है। प्रकृति में, ऑक्सीजन-विकसित परिसर फोटोप्रणाली II (PS II) के भीतर एक मैंगनीज-कैल्शियम क्लस्टर में समकक्ष (इलेक्ट्रॉनों) को कम करके इस प्रतिक्रिया को करता है, फिर उन्हें जल के अणुओं तक पहुंचाता है, जिसके परिणामस्वरूप आणविक ऑक्सीजन और प्रोटॉन का उत्पादन होता है:
 * 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4e−

उत्प्रेरक (प्राकृतिक या कृत्रिम) के बिना, विषम जल ऑक्सीकरण बहुत ऊष्माशोषी है, जिसके लिए उच्च तापमान (कम से कम 2500 K) की आवश्यकता होती है।

प्रयोगात्मक रूप से ऑक्सीजन-विकसित परिसर की सटीक संरचना निर्धारित करना कठिन रहा है। 2011 तक, सबसे विस्तृत प्रतिरूप फोटोप्रणाली II के 1.9 Å संकल्प क्रिस्टल संरचना से था। जटिल एक क्लस्टर रसायन है जिसमें चार मैंगनीज और एक कैल्शियम आयन होते हैं, लेकिन क्लस्टर 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] क्यूबन-प्रकार के क्लस्टर, कुछ उत्प्रेरक गतिविधि के साथ। कुछ दयाता समूह, जैसे कि डायन्यूक्लियर μ-ऑक्सो-ब्रिज्ड नीला द्वितय (संश्लेषित होने वाली अपनी तरह का पहला), प्रकाश-चालित जल ऑक्सीकरण में सक्षम हैं, उच्च वैलेंस (रसायन विज्ञान) राज्यों को बनाने में सक्षम होने के लिए धन्यवाद। इस विषय में रूथेनियम समूह प्रकाश-सुग्राहीकारक और उत्प्रेरक दोनों के रूप में कार्य करता है। यह परिसर और अन्य आणविक उत्प्रेरक अभी भी क्षेत्र में शोधकर्ताओं को आकर्षित करते हैं, जिनके पास स्पष्ट संरचना, सक्रिय स्थिति और अध्ययन करने में आसान तंत्र जैसे विभिन्न फायदे हैं। दूर करने के लिए मुख्य चुनौतियों में से एक उनकी अल्पकालिक स्थिरता और कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण उपकरणों में अनुप्रयोगों के लिए उनका प्रभावी विषमकरण है। रूथेनियम (IV) ऑक्साइड (RuO2) सहित कई धातु ऑक्साइड में जल ऑक्सीकरण उत्प्रेरक गतिविधि पाई गई है।), इरिडियम (IV) ऑक्साइड (IrO2), कोबाल्ट ऑक्साइड (निकल-डोपिंग ( Co3O4), मैंगनीज ऑक्साइड (स्तरित MnO2 सहित (बिर्नेस्थिति), Mn2O3), और Mn2O3 के साथ Mn2O3. आणविक उत्प्रेरकों की तुलना में ऑक्साइड आसानी से प्राप्त होते हैं, विशेष रूप से अपेक्षाकृत प्रचुर मात्रा में संक्रमण धातुओं (कोबाल्ट और मैंगनीज) से, लेकिन कम टर्नओवर आवृत्ति और धीमी इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण गुणों से पीड़ित होते हैं, और उनकी क्रिया के तंत्र को समझना और इसलिए समायोजित करना कठिन होता है।

हाल ही में मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (MOF)-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 सामर्थ्य भविष्य के विकास के लिए अत्यधिक लाभकारी होने का अनुमान है।

प्रकाश-सुग्राहीकारक
दृश्यमान स्पेक्ट्रम के व्यापक हिस्से को अवशोषित करने के लिए प्रकृति जैविक वर्णक, 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 रंजकों को मिला सकती हैं।

रूथेनियम पॉलीपीरिडीन कॉम्प्लेक्स, विशेष रूप से ट्रिस (बिपिरिडीन) रूथेनियम (II) क्लोराइड | ट्रिस (बिपिरिडीन) रूथेनियम (II) और इसके डेरिवेटिव, उनके कुशल दृश्य प्रकाश अवशोषण और लंबे समय तक चलने वाले MLCT धातु के कारण हाइड्रोजन फोटोप्रोडक्शन में बड़े पैमाने पर उपयोग किए गए हैं। टू-लिगैंड चार्ज ट्रांसफर उत्साहित राज्य, जो समूह को मजबूत कम करने वाले दलाल बनाता है। उपयोग किए जाने वाले अन्य महान धातु युक्त परिसरों में प्लैटिनम, रोडियाम और इरिडियम सम्मिलित हैं।

धातु-मुक्त कार्बनिक परिसरों को भी सफलतापूर्वक प्रकाश-सुग्राहीकारक के रूप में नियोजित किया गया है। उदाहरणों में ईओसिन वाई और गुलाब बंगालसम्मिलित हैं। सजातीय और विषम कटैलिसीस दोनों के लिए nanomaterial या अर्धचालकों की कोटिंग में पोर्फिरीन जैसे पायरोल रिंग्स का भी उपयोग किया गया है।

कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के लिए प्रकाश एकत्र करने के कुशल और स्थायी तरीके निर्धारित करने के लिए वर्तमान शोध प्रयासों के हिस्से के रूप में कृत्रिम फोटोनिक एंटीना प्रणाली का अध्ययन किया जा रहा है। Gion Calzaferri (2009) एक ऐसे एंटीना का वर्णन करता है जो पौधे के प्रकाश संग्रह प्रणालियों की नकल करने के लिए कार्बनिक रंगों के लिए एक आतिथेय के रूप में जिओलाइट एल का उपयोग करता है। ऐन्टेना डाई अणुओं को ज़ीइलाइट एल के माध्यमों में डालकर बनाया गया है। सम्मिलन प्रक्रिया, जो निर्वात के तहत और उच्च तापमान की स्थिति में होती है, जिओलाइट ढांचे और डाई अणुओं के सहकारी कंपन गति से संभव हो जाती है। परिणामी सामग्री को रोधनी मध्यवर्ती के माध्यम से बाहरी उपकरण में अंतरापृष्ठ किया जा सकता है।

कार्बन डाइऑक्साइड कमी उत्प्रेरक
प्रकृति में, केल्विन चक्र के एक भाग के रूप में एंजाइम RuBisCO का उपयोग करके पौधे द्वारा कार्बन निर्धारण किया जाता है। RuBisCO अन्य किण्वकों के विशाल बहुमत की तुलना में एक धीमा उत्प्रेरक है, जिसमें कार्बन डाइऑक्साइड के केवल कुछ अणु रिबुलोज-1,5-बिस्फोस्फेट प्रति मिनट में सम्मिलित होते हैं, लेकिन ऐसा वायुमंडलीय दबाव और हल्के, जैविक स्थितियों में होता है। परिणामी उत्पाद आगे रेडॉक्स होता है और अंततः ग्लूकोज के संश्लेषण में उपयोग किया जाता है, जो बदले में सेल्यूलोज और स्टार्च जैसे अधिक जटिल कार्बोहाइड्रेट का अग्रदूत होता है। प्रक्रिया ATP और NADPH के रूप में ऊर्जा की खपत करती है।

कृत्रिम CO2 ईंधन उत्पादन में कमी का उद्देश्य ज्यादातर वायुमंडलीय CO2 से कम कार्बन यौगिकों का उत्पादन करना है. इस अंत के लिए कुछ संक्रमण धातु फॉस्फीन समूह विकसित किए गए हैं; हालाँकि, उन्हें सामान्यतः पर CO2 की पिछली सांद्रता की आवश्यकता होती है उपयोग से पहले, और वाहक (अणु जो CO2 को ठीक करेंगे) जो दोनों वायुजीवी स्थितियों में स्थिर हैं और CO2 को केंद्रित करने में सक्षम हैं वायुमंडलीय सांद्रता अभी तक विकसित नहीं हुई है। CO2 से सबसे सरल उत्पाद कमी कार्बन मोनोआक्साइड (CO) है, लेकिन ईंधन के विकास के लिए, और कमी की आवश्यकता है, और एक महत्वपूर्ण कदम जिसे और विकास की आवश्यकता है, CO को हाइड्राइड आयनों का स्थानांतरण है।

ईंधन का फोटोबायोलॉजिकल उत्पादन
कुछ फोटोऑटोट्रॉफिक सूक्ष्मजीव कुछ परिस्थितियो के तहत हाइड्रोजन का उत्पादन कर सकते हैं। नाइट्रोजन-स्थिरीकरण सूक्ष्मजीव, जैसे कि फिलामेंटस साइनोबैक्टीरिया, में एंजाइम नाइट्रोजनेस होता है, जो वायुमंडलीय N2 के रूपांतरण के लिए जिम्मेदार होता है अमोनिया में; आणविक हाइड्रोजन इस प्रतिक्रिया का एक उप-उत्पाद है, और कई बार सूक्ष्मजीव द्वारा जारी नहीं किया जाता है, बल्कि हाइड्रोजन-ऑक्सीडाइजिंग (अपटेक) हाइड्रोजनेज द्वारा लिया जाता है। इन जीवों को हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए विवश करने की प्रणाली यह है कि हाइड्रोजनेज की गतिविधि को खत्म कर दिया जाए। यह पंक्टिफॉर्म नोस्टोकस के तनाव पर किया गया है: NiFe अपटेक हाइड्रोजनेज़ के संरचनात्मक जीन में से एक को सम्मिलन उत्परिवर्तन द्वारा निष्क्रिय किया गया था, और उत्परिवर्ती तनाव ने रोशनी के तहत हाइड्रोजन विकास दिखाया। इनमें से कई फोटोऑटोट्रॉफ़्स में द्विदिश हाइड्रोजनीज़ भी होते हैं, जो कुछ परिस्थितियो के तहत हाइड्रोजन का उत्पादन कर सकते हैं। हालांकि, अन्य ऊर्जा-मांग वाले चयापचय पथ प्रोटॉन में कमी के लिए आवश्यक इलेक्ट्रॉनों के साथ प्रतिस्पर्धा कर सकते हैं, समग्र प्रक्रिया की दक्षता कम कर सकते हैं; साथ ही, ये हाइड्रोजन गैसें ऑक्सीजन के प्रति बहुत संवेदनशील होती हैं।

साइनोबैक्टीरिया का उपयोग करके कई कार्बन-आधारित जैव ईंधन भी तैयार किए गए हैं, जैसे 1-ब्यूटेनॉल। इस विषय के लिए सिंथेटिक जीव विज्ञान तकनीकों के उपयोगी होने की भविष्यवाणी की जाती है। माइक्रोबायोलॉजिकल और एंजाइमैटिक अभियांत्रिकी में एंजाइम दक्षता और मजबूती में सुधार करने की क्षमता है, साथ ही फोटोऑटोट्रॉफ़्स में नए जैव ईंधन-उत्पादक चयापचय मार्गों का निर्माण करने की क्षमता है जो पहले उनकी कमी थी, या उपस्थिता लोगों में सुधार। विकसित किया जा रहा और एक अन्य विषय व्यावसायिक अनुप्रयोग के लिए फोटोबियरक्टर का अनुकूलन है।

खाद्य उत्पादन
शोधकर्ताओं ने अंधेरे में विविध खाद्य पदार्थों की नियंत्रित वृद्धि हासिल की है सौर ऊर्जा और इलेक्ट्रोकैटलिसिस आधारित कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के माध्यम से यह स्थायी खाद्य प्रणाली को बढ़ाने की एक प्रणाली बन सकता है। हालांकि, यह स्पष्ट नहीं है कि प्रयोगात्मक प्रक्रिया के आधार पर खाद्य उत्पादन तंत्र व्यवहार्य हैं और इसे बढ़ाया जा सकता है।

कार्यरत अनुसंधान तकनीकें
कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण में अनुसंधान आवश्यक रूप से बहु-विषयक विषय है, जिसमें विभिन्न विशेषज्ञता की भीड़ की आवश्यकता होती है। उत्प्रेरक और सौर कोशिका बनाने और जांच करने में नियोजित कुछ तकनीकों में सम्मिलित हैं:
 * कार्बनिक संश्लेषण और अकार्बनिक रसायन रासायनिक संश्लेषण।
 * इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री के तरीके, जैसे कि फोटोइलेक्ट्रोकेमिस्ट्री, चक्रीय वोल्टामीटर, इलेक्ट्रोकेमिकल इम्पीडेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी, ढांकता हुआ स्पेक्ट्रोस्कोपी और थोक इलेक्ट्रोलिसिस
 * स्पेक्ट्रोस्कोपिक तरीके:
 * तीव्र तकनीकें, जैसे कि समय-संकल्पित स्पेक्ट्रोस्कोपी और अल्ट्राफास्ट लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी;
 * चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी, जैसे परमाणु चुंबकीय अनुनाद, इलेक्ट्रॉन पैरामैग्नेटिक अनुनाद;
 * X-ray स्पेक्ट्रोस्कोपी विधियां, जिसमें एक्स-रे अवशोषण जैसे XANES और EXAFS सम्मिलित हैं, लेकिन X-ray उत्सर्जन भी।
 * क्रिस्टलोग्राफी।
 * आणविक जीव विज्ञान, सूक्ष्म जीव विज्ञान और सिंथेटिक जीव विज्ञान के तरीके।

लाभ, हानि और दक्षता
कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के माध्यम से सौर ईंधन उत्पादन के लाभों में सम्मिलित हैं:
 * सौर ऊर्जा को तुरंत परिवर्तित और संग्रहित किया जा सकता है। फोटोवोल्टिक कोशिकाओं में, सूर्य के प्रकाश को बिजली में परिवर्तित किया जाता है और फिर भंडारण के लिए रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है, दूसरे रूपांतरण से जुड़ी ऊर्जा के कुछ आवश्यक हानि के साथ।
 * इन प्रतिक्रियाओं के उपोत्पाद पर्यावरण के अनुकूल हैं। कृत्रिम रूप से प्रकाश संश्लेषण ईंधन ऊर्जा का कार्बन-तटस्थ स्रोत होगा, जिसका उपयोग परिवहन या घरों के लिए किया जा सकता है। हानि में सम्मिलित हैं:


 * कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री प्रायः जल में खराब हो जाती है, इसलिए वे लंबे समय तक फोटोवोल्टिक से कम स्थिर हो सकते हैं। अधिकांश हाइड्रोजन उत्प्रेरक ऑक्सीजन के प्रति बहुत संवेदनशील होते हैं, इसकी उपस्थिति में निष्क्रिय या निम्नीकृत होते हैं; इसके अतिरिक्त, समय के साथ फोटोडैमेज 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।

सामान्यतः पर उत्प्रेरक युक्ति में संबोधित एक चिंता दक्षता है, विशेष रूप से व्यवहार में प्रणाली में घटना प्रकाश कितनी उपयोग की जा सकती है। यह प्रकाश संश्लेषक दक्षता के साथ तुलनीय है, जहां प्रकाश-से-रासायनिक-ऊर्जा रूपांतरण मापा जाता है। प्रकाश संश्लेषक जीव लगभग 50% घटना सौर विकिरण एकत्र करने में सक्षम हैं, हालांकि प्रकाश संश्लेषक दक्षता की सैद्धांतिक सीमा क्रमशः C3 कार्बन निर्धारण और C4 कार्बन निर्धारण संयंत्रों के लिए 4.6 और 6.0% है। वास्तव में, उष्णकटिबंधीय जलवायु में गन्ना जैसे कुछ अपवादों के साथ प्रकाश संश्लेषण की दक्षता बहुत कम है और सामान्यतः पर 1% से कम है। इसके विपरीत, कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण प्रयोगशाला प्रोटोटाइप के लिए उच्चतम विवरण की गई दक्षता 22.4% है। हालांकि, पौधे CO2 का उपयोग करने में कुशल हैं वायुमंडलीय सांद्रता पर, कुछ ऐसा जो कृत्रिम उत्प्रेरक अभी भी नहीं कर सकते हैं।

यह भी देखें

 * बैक्टीरियोहोडोप्सिन
 * ATP सिंथेज़
 * फोटोइलेक्ट्रोकेमिस्ट्री
 * शैवाल PARC
 * कार्बन पदचिह्न
 * ईंधन सेल
 * हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था
 * उभरती प्रौद्योगिकियों की सूची
 * उपापचयी अभियान्त्रिकी
 * प्रकाशसुग्राहीकारक

बाहरी कड़ियाँ

 * Engineering light-activated metalloproteins to split water at Australia National University
 * Daniel Nocera describes new process for storing solar energy at Massachusetts Institute of Technology.
 * Paul Alivisatos on Artificial Photosynthesis at Lawrence Berkeley National Laboratory
 * Nanocapsules for artificial photosynthesis a Nanowerk News article
 * MIT Solar Revolution Project