Химики искусственно воспроизвели ключевые элементы фотосинтеза



Две группы американских химиков смогли повторить два ключевых элемента процесса фотосинтеза у зеленых растений – разложение молекул углекислого газа и воды при помощи энергии света, используя недорогие и легко доступные катализаторы и солнечные батареи, говорится в двух статьях, опубликованных в журнале Science.

Многие химические реакции происходят только при благоприятных условиях – к примеру, в присутствии набора катализаторов или при постоянном притоке энергии. В частности, зеленые растения используют молекулы хлорофилла для поглощения энергии Солнца и преобразования ее в свободные электроны, которые в свою очередь расходуются на расщепление молекул воды и углекислого газа.

Ричард Мазель (Richard Masel) и его коллеги из исследовательской лаборатории Dioxide Materials в городе Шампэйн (штат Иллинойс) воспроизвели одну половину этого процесса – разложение молекулы углекислого газа.

Молекулу СО2 крайне сложно разложить при помощи электрического тока – оба атома кислорода прочно связаны с углеродом, и для отрыва хотя бы одного из них нужно много электричества. Из-за этого такая реакция крайне невыгодна с экономической точки зрения.

Мазель и его коллеги смогли умерить «аппетиты» молекулы CO2 при помощи специального катализатора – электролита из смеси соединений имидазола и тетрафторида бора. Эта соединение относится к классу так называемых ионных жидкостей – по сути «обычных» солей, температура плавления которых ниже комнатной.

Ученые собрали реактор из закрытой колбы, двух электродов – серебряного катода и платинового анода, и электролита, через который пропускался углекислый газ. В первых экспериментах платиновый электрод быстро портился из-за взаимодействия с молекулами углекислого газа, поэтому ученые обернули его в пленку из нафиона – полимера, который пропускает положительно заряженные катионы и не пропускает все остальное – нейтральные молекулы воды или отрицательно заряженные анионы.

«Рабочая» версия реактора Мазеля и его коллег вырабатывала только три типа газов – водород и угарный газ (СО) на катионе и кислород на анионе. Эффективность работы этого устройства – то есть доля электричества, которая была потрачена на расщепление углекислого газа – составляла 96% и она не уменьшалась с течением времени, что говорит о низком расходе катализатора.

С другой стороны, текущая производительность этой системы остается достаточно низкой, что мешает использовать ее в промышленных масштабах.

Другая группа ученых под руководством Томаса Ярви (Thomas Jarvi) из лаборатории Sun Catalytix в Кэмбридже (США) реализовала вторую половину искусственного фотосинтеза – расщепление воды на кислород и водород при помощи энергии света.

Ярви и его коллеги собрали специальную солнечную панель, которая повторяет в себе «водную» часть фотосинтезирующих структур. Полупроводниковая часть этого устройства «собирает» энергию Солнца и выделяет электроны, которые подхватываются молекулами «умного» катализатора из оксида кобальта и бора. Это вещество переносит электроны к молекуле воды и заставляет атомы кислорода отделиться от нее и образовать молекулу нейтрального газа. Для отделения молекул водорода ученые использовали еще один катализатор – тонкую сетку из сплава никеля, цинка и молибдена.

Ученые испытали работу своего устройства, осветив ее при помощи лампы мощностью в 1 киловатт на квадратный метр, что составляет примерно 1,5 светимости Солнца. Солнечная панель поглощала примерно 8% света и использовала 85% полученной энергии – примерно 5% от мощности прожектора – на расщепление воды. По современным оценкам, растения поглощают около 1–2% солнечного света – иначе говоря, батарея Ярви и его коллег оказалась эффективнее природных.

Химики полагают, что их изобретение станет первым шагом на пути создания дешевых и компактных систем преобразования солнечной энергии в водород и кислород.

Источник

«Между прочим, религиозный студент может придти в замешательство, недоумевая зачем бог создаёт проблемы, снабжая хищников красивой адаптацией для ловли добычи, при этом другой рукой снабжая добычу красивой адаптацией, препятствующей этому. Видимо он наслаждается этим спортом как зритель»

Ричард Докинз