Химики создают систему «искусственного фотосинтеза», которая в 10 раз эффективнее существующих систем

Луиза Лернер

10 ноября 2022 г.

В течение последних двух столетий люди полагались на ископаемое топливо как источник концентрированной энергии; сотни миллионов лет фотосинтеза упакованы в удобное, энергоплотное вещество. Но эти запасы ограничены, а потребление ископаемого топлива оказывает огромное негативное влияние на климат Земли.

«Самая большая проблема, которую многие люди не осознают, заключается в том, что даже природа не может решить проблему количества энергии, которую мы используем», — сказал химик из Чикагского университета Вэньбинь Линь. По его словам, даже фотосинтез не настолько хорош: «Нам придется добиться большего, чем природе, и это пугает».

Один из возможных вариантов, который изучают ученые, — это «искусственный фотосинтез» — переработка системы растений для производства собственных видов топлива. Однако химическое оборудование в одном листе невероятно сложное, и его не так-то легко использовать в наших целях.

Исследование Nature Catalesis, проведенное шестью химиками из Чикагского университета, демонстрирует новую инновационную систему искусственного фотосинтеза, которая на порядок более продуктивна, чем предыдущие искусственные системы. В отличие от обычного фотосинтеза, при котором углеводы производятся из углекислого газа и воды, искусственный фотосинтез может производить этанол, метан или другие виды топлива.

Хотя ему предстоит пройти долгий путь, прежде чем вы сможете ежедневно заправлять свой автомобиль топливом, этот метод дает ученым новое направление для исследований и может быть полезен в краткосрочной перспективе для производства других химикатов.

«Это огромное улучшение по сравнению с существующими системами, но, что не менее важно, мы смогли изложить очень четкое понимание того, как эта искусственная система работает на молекулярном уровне, чего раньше не было», — сказал Лин, Джеймс Франк, профессор химии Чикагского университета и старший автор исследования.

«Без естественного фотосинтеза нас бы здесь не было. Он производит кислород, которым мы дышим на Земле, и пищу, которую мы едим», — сказал Лин. «Но он никогда не будет достаточно эффективным, чтобы обеспечить нас топливом для вождения автомобилей; поэтому нам понадобится что-то еще».

Проблема в том, что фотосинтез создан для создания углеводов, которые отлично подходят для заправки нас, но не для наших автомобилей, которым требуется гораздо более концентрированная энергия. Поэтому исследователи, стремящиеся создать альтернативы ископаемому топливу, должны перепроектировать процесс, чтобы создать более энергоемкое топливо, такое как этанол или метан.

В природе фотосинтез осуществляется несколькими очень сложными комплексами белков и пигментов. Они поглощают воду и углекислый газ, расщепляют молекулы и перестраивают атомы, образуя углеводы — длинную цепочку соединений водорода, кислорода и углерода. Ученым, однако, необходимо переработать реакции, чтобы вместо этого получить другую структуру, в которой только водород окружает сочное углеродное ядро ​​— CH4, также известный как метан.

Эта реинжиниринг гораздо сложнее, чем кажется; люди возились с этим десятилетиями, пытаясь приблизиться к эффективности природы.

Лин и его команда из лаборатории подумали, что они могли бы попытаться добавить что-то, чего до сих пор не было в системах искусственного фотосинтеза: аминокислоты.

Команда начала с типа материала, называемого металлоорганическим каркасом или MOF, класса соединений, состоящих из ионов металлов, удерживаемых вместе органическими связывающими молекулами. Затем они спроектировали MOF как однослойные, чтобы обеспечить максимальную площадь поверхности для химических реакций, и погрузили все в раствор, содержащий соединение кобальта для переноса электронов. Наконец, они добавили аминокислоты в MOF и экспериментировали, чтобы выяснить, какие из них работают лучше всего.

Им удалось улучшить обе половины реакции: процесс расщепления воды и процесс добавления электронов и протонов к углекислому газу. В обоих случаях аминокислоты помогли реакции протекать более эффективно.