Вчені штучно відтворили ключові елементи фотосинтезу

Дві групи американських хіміків змогли повторити два ключових елементи процесу фотосинтезу у зелених рослин – розкладання молекул вуглекислого газу і води за допомогою енергії світла, використовуючи недорогі і легко доступні каталізатори та сонячні батареї.

Про це йдеться у двох статтях, опублікованих у журналі Science.

Багато хімічних  реакцій відбуваються тільки за сприятливих умов - наприклад, у присутності набору каталізаторів або при постійному припливу енергії.

Зокрема, зелені рослини використовують молекули хлорофілу для поглинання енергії Сонця і перетворення її у вільні електрони, які в свою чергу витрачаються на розщеплення молекул води і вуглекислого газу.

Річард Мазель і його колеги з дослідницької лабораторії матеріали Dioxide Materials  в місті Шампейн (штат Іллінойс) відтворили одну половину цього процесу – розкладання молекули вуглекислого газу.

Молекулу СО2 вкрай складно розкласти за допомогою електричного струму – обидва атоми кисню міцно пов'язані з вуглецем, і для відриву хоча б одного з них потрібно багато електрики. Через це така реакція вкрай невигідна з економічної точки зору.

Мазель і його колеги змогли стримати "апетити" молекули СО2 за допомогою спеціального каталізатора – електроліту з суміші сполук імідазолу і тетрафториду бору.

Ця сполука належить до класу так званих іонних рідин - по суті "звичайних" солей, температура плавлення яких нижча за кімнатну.

Вчені зібрали реактор із закритої колби, двох електродів - срібного катода і платинового анода, і електроліту, через який пропускався вуглекислий газ.

У перших експериментах платиновий електрод швидко псувався через взаємодію з молекулами вуглекислого газу, тому вчені обернули його в плівку з нафіону - полімеру, який пропускає позитивно заряджені катіони і не пропускає все інше - нейтральні молекули води чи негативно заряджені аніони.

"Робоча" версія реактора Мазеля і його колег виробляла тільки три типи газів - водень і чадний газ (СО) на катіоні і кисень на аніоні.

Ефективність роботи цього пристрою - тобто частка електрики, яка була витрачена на розщеплення вуглекислого газу - становила 96% і вона не зменшувалася з часом, що говорить про низькуі витрати каталізатора.

З іншого боку, поточна продуктивність цієї системи залишається досить низькою, що заважає використовувати її в промислових масштабах.

Інша група вчених під керівництвом Томаса Ярві з лабораторії НД Catalytix в Кембріджі (США) реалізувала другу половину штучного фотосинтезу - розщеплення води на кисень і водень за допомогою енергії світла.

Ярві і його колеги зібрали спеціальну сонячну панель, яка повторює в собі "водну" частину фотосинтезуючих структур. Напівпровідникова частина цього пристрою "збирає" енергію Сонця і виділяє електрони, які підхоплюються молекулами "розумного" каталізатора з оксиду кобальту і бору.

Ця речовина переносить електрони до молекули води і змушує атоми кисню відокремитися від неї і утворити молекулу нейтрального газу. Для відділення молекул водню вчені використовували ще один каталізатор - тонку сітку зі сплаву нікелю, цинку і молібдену.

Учені випробували роботу свого пристрою, освітивши її за допомогою лампи потужністю в 1 кіловат на квадратний метр, що становить приблизно 1,5 світності Сонця. Сонячна панель поглинала приблизно 8% світла і використовувала 85% отриманої енергії - приблизно 5% від потужності прожектора - на розщеплення води.

За сучасними оцінками, рослини поглинають близько 1-2% сонячного світла - інакше кажучи, батарея Ярві і його колег виявилася ефективнішою за природні.

Хіміки вважають, що їхній винахід стане першим кроком на шляху створення дешевих і компактних систем перетворення сонячної енергії в водень і кисень.