Химия без нефти: искусственные листья превращают CO₂ в сложные вещества

Хімія без нафти: штучне листя перетворює CO₂ на складні речовини

Британские исследователи из Кембриджа создали гибридное устройство, объединяющее светопоглощающие органические полимеры с бактериальными ферментами для преобразования солнечного света, воды и CO₂ в топливо для дальнейших химических реакций — формиат.

Устройство напоминает искусственные листья, имитирующие процесс фотосинтеза без необходимости вспомогательных источников питания. В отличие от предыдущих прототипов, часто использовавших токсичные или нестабильные соединения для поглощения света, новая биогибридная конструкция не содержит токсичных полупроводников, имеет более долгий срок службы и работает без дополнительных химикатов, которые снижали эффективность.

По результатам испытаний солнечный свет использовался для преобразования CO₂ в формиат, который после этого добавляли в каскадную химическую реакцию для получения важного типа смеси, используемой в фармацевтике. Смесь удалось получить с высоким выходом и чистотой.

Группа исследователей под руководством профессора химии Эрвина Рейснера специализируется на разработке искусственных листьев, превращающих свет в углеродное топливо и химикаты без использования ископаемого топлива. Однако их ранние разработки использовали синтетические катализаторы и неорганические полупроводники, которые либо быстро разрушались, либо были недостаточно эффективными или вообще токсичными.

«Если мы сможем удалить токсичные компоненты и начать использовать органические элементы, мы получим чистую химическую реакцию и единый конечный продукт без каких-либо нежелательных побочных реакций. Это устройство сочетает в себе лучшее из обоих миров: органические полупроводники настраиваются и нетоксичны, а биокатализаторы высокоселективные и эффективные», — объясняет соавтор исследования, доктор Селин Йенг.

Новое устройство объединяет в себе органические полупроводники с ферментами сульфатредуцирующих бактерий, которые разлагают воду на водород и кислород и превращают CO₂ в формиат. Исследователям также удалось решить давнюю проблему, поскольку большинству систем необходимы дополнительные химикаты для поддержания работы ферментов. Однако они быстро разрушаются и могут снижать эффективность. Вместо этого ученые добавили карбоангидразу в пористую структуру диоксида титана и обеспечили протекание химических реакций в простом растворе бикарбоната, подобному газировке.

«Мы имеем все эти различные компоненты, которые пытаемся объединить для достижения единой цели. Нам понадобилось много времени, чтобы понять, как этот конкретный фермент иммобилизуется на электроде, но теперь мы начинаем видеть плоды этих усилий. Изучив работу фермента, мы смогли точно спроектировать материалы, из которых состоят различные слои нашего устройства, похожего на сэндвич. Благодаря этой конструкции все компоненты взаимодействуют более эффективно — от крошечных наночастиц до целых искусственных листьев», — объясняет соавтор исследования доктор Юнпен Лю.

Исследования продемонстрировали, что устройство генерирует высокие токи и достигает практически идеальной эффективности направления зарядов в реакции по образованию формиата. Устройство успешно проработало более 24 часов, что более чем вдвое дольше предыдущих конструкций. Исследователи планируют дальнейшее совершенствование своего устройства с целью продления срока службы и адаптации для производства различных видов химической продукции.