Новый метод искусственного фотосинтеза на один шаг может приблизить людей к использованию механизмов растений для производства топлива.
Новая система в 10 раз эффективнее предыдущих синтетических методов фотосинтеза. В то время как естественный фотосинтез позволяет растениям превращать углекислый газ (CO2) и воду в углеводы, используя энергию солнца, искусственный метод может превращать углекислый газ и воду в энергоёмкое топливо, такое как метан и этанол. Это вполне может стать альтернативой ископаемому топливу, извлекаемому из древней породы.
«Самая большая проблема, которую многие люди не осознают, заключается в том, что даже природа не может решить проблему количества энергии, которую мы используем», — говорится в заявлении химика Чикагского университета Венбина Лина (Wenbin Lin), одного из авторов нового исследования.
Естественный фотосинтез, хотя и достаточен для того, чтобы растения могли себя прокормить, не обеспечивает количество энергии, необходимое для питания наших домов, городов и стран.
«Нам придётся действовать лучше, чем природа, и это пугает», — сказал он.
Исследователи годами работали над тем, чтобы позаимствовать механизмы фотосинтеза для создания собственных желаемых химических веществ, но настроить фотосинтез для удовлетворения потребностей человека непросто. Процесс сложен и включает в себя два этапа: во-первых, расщепление воды и CO2, а во-вторых, повторное соединение атомов в углеводы. Лин и его команда должны были создать систему, которая вместо этого производила бы метан, или CH4, представляющий собой углерод, окруженный четырьмя молекулами водорода.
И хотя сжигание этого синтетического метана по-прежнему приводит к выбросам парниковых газов, исследователи также работают над использованием искусственного фотосинтеза для производства водородного топлива, которое выделяет только водяной пар и тёплый воздух.
Чтобы сделать это, учёные начали с металлорганического каркаса — сетки из заряженных атомов металла, связанных органическими молекулами. (Органические молекулы содержат углерод.) Они погрузили отдельные слои этого металлоорганического каркаса в раствор кобальта; этот элемент хорошо улавливает электроны и перемещает их во время химических реакций.
Затем исследователи сделали то, чего раньше никто не пробовал. Они добавили в смесь аминокислоты, молекулярные строительные блоки белков. Эти аминокислоты повысили эффективность обеих сторон реакции, расщепляя CO2 и воду и восстанавливая их в виде метана. Полученная система была в 10 раз более эффективной, чем предыдущие методы искусственного фотосинтеза, сообщила команда в журнале Nature Catalysis 10 ноября.
Тем не менее, это всё ещё недостаточно эффективно, чтобы производить необходимое количество метана для использования человеком в качестве топлива.
«Нашу разработку необходимо будет масштабировать на много порядков, чтобы производить достаточное количество метана для нашего потребления», — сказал Лин.
Но, по его словам, команда смогла определить, как система работает на молекулярном уровне, который раньше никогда не был полностью понят. Понимание процесса является важным шагом, прежде чем они смогут масштабировать процесс.
И пускай в настоящее время система недостаточно эффективна для заправки автомобилей или отопления домов, она уже может быть применима для других целей, не требующих такого большого объёма продукта. Например, по словам Лина, аналогичный метод можно использовать для производства основных химических веществ для фармацевтических препаратов.
«Очень многие из этих фундаментальных процессов одинаковы, — сказал Лин. — Если вы разработаете хорошие химические вещества, их можно будет подключить ко многим системам.»
