Новое достижение в организации искусственного фотосинтеза

Эта конструкция имитирует реальные живые фотосинтетические клетки, которые разделяют реакции окисления и восстановления органическими мембранными компартментами внутри хлоропласта. Точно так же, как и в природных процессах, мембранные трубки позволяют протекать фотосинтетической реакции на очень коротком расстоянии, сводя к минимуму потери энергии

Многие исследователи по всему миру стремятся использовать фотосинтез - химическую реакцию, происходящую за счет солнечного света, с помощью которой растения и водоросли преобразовывают углекислый газ (CO₂) в клеточное топливо - для энергоснабжения зданий и заправки транспортных средств.

При достижении необходимого уровня технологии, усовершенствовании теоретических моделей и лабораторных прототипов, эта идея, известная как искусственный фотосинтез, потенциально способна генерировать огромное количество возобновляемой энергии с использованием избыточного углекислого газа из нашей атмосферы.

С помощью последних достижений исследователи существенно приблизились к этой цели. Ученые разработали систему искусственного фотосинтеза, состоящую из наноразмерных трубок, в которой могут протекать все ключевые этапы химической реакции при производстве топлива.

Их статья, опубликованная в Advanced Functional Materials [1], демонстрирует конструкцию, где за счет расщепления воды в трубках появляется ускоренный поток протонов, которые, проникая наружу, взаимодействуют с углекислым газом и свободными электронами, образуя молекулы топлива.

Пока под топливом понимается окись углерода, однако, исследователи работают над тем, чтобы в дальнейшем получать метанол. Быстрый протонный поток, который необходим для эффективного использования энергии солнечного света при образовании молекул топлива, в более ранних системах искусственного фотосинтеза не наблюдался.

Теперь, когда исследователи продемонстрировали, как нанотрубки решают фотосинтетические задачи по отдельности, они готовы начать тестирование системы в целом. Центральным блоком станет небольшая прямоугольная «солнечная топливная плитка», размером в несколько сантиметром по сторонам, содержащая миллиарды наноразмерных трубок, зафиксированных между нижними и верхними слоями тонкого, слегка гибкого силиката, пронизанного этими трубками.

«Остаются две нерешенные проблемы». «Одной из них является масштабируемость. Если ставится задача отказаться от ископаемого топлива, то возобновляемую энергию необходимо производить в тераваттах - это соответствует огромному количеству ресурсов. И, кроме этого, это топливо должно быть жидким, чтобы его можно было использовать в существующей инфраструктуре и сочетать с имеющимися технологиями, ценой в триллионы долларов».

Было отмечено, что, как только будет создана модель, отвечающая этим требованиям, строительство фермы, производящей топливо за счет солнечного света, состоящей из множества отдельных топливных плиток может начаться в кратчайшие сроки.

«Мы, как основоположники, должны предоставить материал, который работает, и с которым решены все вопросы, связанные с его производительностью. Инженеры знают, как произвести монтаж этих плиток. Когда будут известны все характеристики материала, размером с квадратные сантиметры, они смогут масштабировать его до квадратных километров».

Как это работает

Каждая крошечная полая трубка, находящаяся внутри плитки, состоит из трех слоев: внутреннего слоя из оксида кобальта, среднего слоя из диоксида кремния и внешнего слоя из диоксида титана.

Во внутреннем слое трубки энергия солнечного света расщепляет воду до состояния влажного воздуха, который проходит через внутреннюю часть каждой трубки, образуя свободные протоны и кислород.

Рис. Микроскопическое изображение (верхнее изображение) нанотрубок и (нижнее изображение) схематическое изображение слоев, из которых каждая крошечная трубка состоит. В слое диоксида кремния расположены «молекулярные нити», состоящие из коротких углеводородных соединений, которые соприкасаются с оксидом кобальта и диоксидом титана. Эти нити проводят заряды, которые генерируются поглощающими свет молекулами. Принадлежит: Heinz Frei and Zosia Rostomian/Berkeley Lab

«Эти протоны проходят через наружный слой, где взаимодействуют с диоксидом углерода и образуют монооксид углерода сейчас, и метанол в будущем, участвуя в процессе, катализируемым слоем диоксида титана». «Топливо собирается в пространстве между трубками и может быть легко собрано».

Важно отметить, что средний слой стенки трубки удерживает кислород, образующийся в результате расщепления воды, в ее внутренней части, и блокирует проникновение двуокиси углерода и образующихся молекул топлива снаружи внутрь, тем самым разделяя зоны с двумя очень несовместимыми химическими реакциями.

Эта конструкция имитирует реальные живые фотосинтетические клетки, которые разделяют реакции окисления и восстановления органическими мембранными компартментами внутри хлоропласта. Точно так же, как и в природных процессах, мембранные трубки позволяют протекать фотосинтетической реакции на очень коротком расстоянии, сводя к минимуму потери энергии, которые происходят при перемещении ионов, и предотвращая непреднамеренные химические реакции, которые также снижают эффективность системы.

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1002/adfm.201909262

Источник: Berkeley Lab