 Команда исследователей Национальной лаборатории Лоренса Беркли, разрабатывающая гибридный бионеорганический подход к искусственному фотосинтезу, добилась еще одной вехи. К настоящему времени они разработаны гибридные системы, которые производит возобновляемый молекулярный водород и используют его для синтеза диоксида углерода в метан - основной компонент природного газа.
Исследование представляет собой еще один ключевой прорыв в эффективности преобразования солнечной энергии в химическую и искусственном фотосинтезе. Создавая возобновляемый водород и питая его микробам для производства метана, они могут ожидать эффективность электрической конверсии к химической более чем на 50 процентов и эффективности преобразования солнечной энергии в химическую на 10 процентов - если их систему совместить с панелями солнечных батарей и электролизером.
Фотосинтез является процессом, при котором природа собирает энергию в солнечном свете и использует ее для синтеза углеводов из углекислого газа и воды. Углеводороды являются биомолекулами, которые хранят химическую энергию, используемую живыми клетками. В оригинальной гибридной системе искусственного фотосинтеза, разработанной командой Лаборатории Беркли, массивы нанопроводов кремния и оксида титана собирают солнечную энергию и доставляют электроны к микробам, которые используют их, чтобы уменьшить диоксида углерода в различных химических продуктах с добавленной стоимостью. В новой системе солнечная энергия используется, чтобы разделить молекулы воды на молекулярный кислород и водород. Водород затем транспортируется к микробам, которые используют его для превращения диоксида углерода в один конкретный химический продукт - метан.
В их последней работе, исследователи показали два ключевых достижения. Во-первых использование возобновляемого водорода открывает возможность использования водорода, который исходит от любого устойчивого источника энергии, в том числе ветра, гидротермальных и ядерных источников. Во-вторых, продемонстрировав один перспективный организм для использования возобновляемых источников водорода, ученые могут через синтетическую биологии, расширить этот метод для других организмов и химических продуктов с добавленной стоимостью.
Концепция в двух исследованиях, по существу, является той же самой - мембрана из полупроводниковых нанопроводов, которые могут использовать солнечную энергию, заполняется бактериями, которые могут питаться этой энергией и использовать ее для получения целевых веществ на основе углерода. В новом исследовании, мембрана состоит из фотокатодов фосфида индия и фотоанодов диоксида титана. В первом исследовании, команда работала с Sporomusa Ovata, анаэробной бактерией, которые легко принимает электроны из окружающей среды, чтобы уменьшить диоксид углерода. В новом исследовании команда использовала с Methanosarcina barkeri, который уменьшает углекислый газ с помощью водорода, вместо электронов.
Использование водорода в качестве энергоносителя вместо приводит к гораздо более эффективному процессу, так как молекулярный водород, с его химическими связями, имеет гораздо более высокую плотность хранения и транспортировки энергии.
В новейшей мембране, солнечная энергия поглощается и используется для получения водорода из воды с помощью реакции выделения водорода. Это реакция катализируется сульфидными никелевыми наночастицами, которые работают эффективно при биологически совместимых условиях. Водород, производимый в реакции, непосредственно используются в Methanosarcina barkeri в мембране с образованием метана.
Метан был выбран учеными в качестве первоначальной цели благодаря легкости разделения продукта, потенциала для интеграции в существующие инфраструктуры для доставки и использования природного газа, и тем фактом, что прямое преобразование двуокиси углерода в метан с помощью синтетических катализаторов оказалось трудной задачей. Поскольку люди до сих пор получают большинство метана из природного газа, способность генерировать метан из возобновляемого источника водорода является еще одним важным шагом вперед.
|
