Люди полагались на ископаемое топливо для получения удобно упакованной энергии в течение последних двух столетий. Наше общество пользуется удобными, энергоемкими веществами, которые являются продуктом от сотен миллионов лет фотосинтеза. Однако 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 у природы нет решения для производства того количества энергии, которое мы используем. Нам придется добиться большего, чем природа, что может звучать несколько жутко. Искусственный фотосинтез один из возможных вариантов, который исследуется. Это влечет за собой переделку заводской системы для производства собственных видов топлива. Однако химическое оборудование, которое "находится" в каждом древесном листе невероятно сложное, и его не так-то просто использовать для своих целей.
Но многое изменится, ведь инновационная система искусственного фотосинтеза, которая на порядок более продуктивна, чем предыдущие искусственные системы, представлена в исследовании, опубликованном в журнале Nature Catalysis шестью химиками из Чикагского университета. В отличие от обычного фотосинтеза, который производит углеводы из углекислого газа и воды, искусственный фотосинтез может производить этанол, метан или другие виды топлива.
Хотя технологии еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем вы сможете ежедневно заправлять свой автомобиль, этот метод дает ученым новое направление для исследований. Кроме того, в более краткосрочной перспективе это может быть полезно для производства других химикатов.
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 создать другую схему, в которой только водород окружает сочное углеродное ядро — CH4, также известный как метан. Этот реинжиниринг гораздо сложнее, чем кажется. Люди возятся с ним десятилетиями, пытаясь приблизиться к эффективности природы. Авторы работы 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 связующими молекулами. Затем они разработали MOF в виде одного слоя, чтобы обеспечить максимальную площадь поверхности для химических реакций, и погрузили все в раствор, который включал соединение кобальта для переноса электронов. Наконец, они добавили аминокислоты к MOF и экспериментировали, чтобы выяснить, какие из них работают лучше всего.
Таким образом ученые смогли улучшить обе части реакции: процесс, который расщепляет воду, и тот, который добавляет электроны и протоны к углекислому газу. В обоих случаях аминокислоты помогли реакции пройти более эффективно.
Однако даже при значительно улучшенных характеристиках искусственному фотосинтезу предстоит пройти долгий путь, прежде чем он сможет производить достаточно топлива, чтобы его можно было широко использовать.
Прорыв также может быть широко применен к другим химическим реакциям; вам нужно производить много топлива, чтобы оно имело эффект, но гораздо меньшие количества некоторых молекул, таких как исходные материалы для производства фармацевтических препаратов и нейлона, среди прочего, могут быть очень полезными.