Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа Кембриджского университета разработала устройство в виде искусственного листа, которое использует комбинацию органических полупроводников и бактериальных ферментов для прямого преобразования солнечного света и углекислого газа в топливо, не требуя ископаемого сырья. Результаты этой работы, опубликованные в журнале Joule, предлагают новый путь декарбонизации химической промышленности.
В настоящее время химическая промышленность почти полностью зависит от ископаемого топлива, используя его не только как источник энергии, но и как сырье. Профессор Эрвин Райснер с химического факультета имени Юсуфа Хамида Кембриджского университета отмечает, что химическая промышленность является сложной проблемой, которую необходимо решить при построении циклической и устойчивой экономики, и требуется найти способы декарбонизации этого сектора. Команда Райснера долгое время изучала искусственные листья — устройства, имитирующие фотосинтез и производящие углеродное топливо, используя только солнечный свет и углекислый газ.
Ранние конструкции искусственных листьев использовали неорганические полупроводники или синтетические катализаторы, но сталкивались с такими проблемами, как быстрая деградация, узкий спектр поглощения или содержание токсичных элементов (например, свинца), что затрудняло их чистое масштабирование. Новое устройство объединяет органические полупроводники (настраиваемые, нетоксичные и регулируемые) с ферментами, извлеченными из сульфатредуцирующих бактерий. Доктор Селин Йенг, первый соавтор, указывает, что устройство удаляет токсичные компоненты и использует органические элементы, что позволяет добиться чистых химических реакций и получения единственного конечного продукта без лишних побочных реакций. Это первый случай использования органических полупроводников в качестве светособирающего компонента в таких биогибридных системах, что позволяет избежать проблем токсичности и нестабильности, присущих предыдущим поколениям систем.
Устройство использует ферменты, извлеченные из сульфатредуцирующих бактерий, которые могут расщеплять воду или преобразовывать углекислый газ в формиат. Команда также встроила вспомогательный фермент — карбоангидразу — в пористую структуру диоксида титана, что позволило системе работать в простом растворе бикарбоната (напоминающем газированную воду) без необходимости в химических буферных добавках. Доктор Юнпэн Лю, первый соавтор, говорит, что команде потребовалось много времени, чтобы понять, как именно закрепить конкретный фермент на электроде, и теперь они начинают видеть результаты.
В ходе испытаний устройство генерировало высокий фототок и достигло почти идеальной эффективности Фарадея — почти все электроны, полученные от солнечного света, использовались для производства топлива, а не терялись в побочных реакциях. Устройство работало непрерывно более 24 часов, что более чем вдвое превышает показатели предыдущих конструкций. Затем команда добавила формиат, произведенный устройством, в «домино-реакцию» для синтеза лекарственных соединений, достигнув высокого выхода и чистоты, что доказывает способность этого листа приводить к действительно полезному химическому синтезу, а не просто изолированно производить топливо.
Команда подчеркивает, что это лишь отправная точка, а не готовый продукт. Продление срока службы устройства до более чем 24 часов является первоочередной задачей, а также необходимо адаптировать платформу для производства более широкого спектра химических продуктов. Райснер отмечает, что исследование доказывает возможность создания эффективных, долговечных солнечных устройств, не содержащих токсичных или неустойчивых компонентов, которые могут стать базовой платформой для производства экологически чистого топлива и химикатов в будущем. Исследование финансировалось Европейским исследовательским советом (European Research Council), UK Research and Innovation (UKRI), сингапурским A*STAR и Швейцарским национальным научным фондом (Swiss National Science Foundation), что отражает широкий международный интерес.
Данный материал скомпилирован платформой Wedoany. При цитировании материалов, созданных с помощью искусственного интеллекта (ИИ), необходимо обязательно указывать источник — «Wedoany». В случае выявления нарушения прав или иных проблем просим своевременно информировать нас. Сайт оперативно внесёт изменения или удалит материал.Электронная почта: news@wedoany.com
