Британські дослідники з Кембриджу створили гібридний пристрій, що об’єднує світлопоглинаючі органічні полімери з бактеріальними ферментами для перетворення сонячного світла, води та CO₂ на паливо для подальших хімічних реакцій — форміат.
Пристрій нагадує штучне листя, яке імітує процес фотосинтезу без необхідності допоміжних джерел живлення. На відміну від попередніх прототипів, які часто використовували токсичні або нестабільні сполуки для поглинання світла, нова біогібридна конструкція не містить токсичних напівпровідників, має довший термін роботи та працює без додаткових хімікатів, які знижували ефективність.
За результатами випробувань сонячне світло використовувалось для перетворення CO₂ у форміат, який після цього додавали у каскадну хімічну реакцію для отримання важливого типу суміші, що використовується у фармацевтиці. Суміш вдалось отримати з високим виходом та чистотою.
Група дослідників під керівництвом професора хімії Ервіна Рейснера спеціалізується на розробці штучного листя, яке перетворює світло на вуглецеве паливо та хімікати без використання викопного палива. Однак їхні ранішні розробки використовували синтетичні каталізатори та неорганічні напівпровідники, які або швидко руйнувались, або були недостатньо ефективними чи взагалі токсичними.
“Якщо ми зможемо видалити токсичні компоненти та почати використовувати органічні елементи, ми отримаємо чисту хімічну реакцію та єдиний кінцевий продукт без будь-яких небажаних побічних реакцій. Цей пристрій поєднує в собі найкраще з обох світів: органічні напівпровідники налаштовуються та нетоксичні, а біокаталізатори високоселективні та ефективні”, — пояснює співавторка дослідження, докторка Селін Йенг.
Новий пристрій об’єднує у собі органічні напівпровідники з ферментами сульфатредукуючих бактерій, які розкладають воду на водень та кисень та перетворюють CO₂ у форміат. Дослідникам також вдалось розв’язати давню проблему, оскільки більшості систем необхідні додаткові хімікати для підтримки роботи ферментів. Однак вони швидко руйнуються і можуть знижувати ефективність. Замість цього науковці додали карбоангідразу у пористу структуру діоксиду титану та забезпечили протікання хімічних реакцій у простому розчині бікарбонату, подібному до газованки.
“Ми маємо всі ці різні компоненти, які намагаємося об’єднати для досягнення єдиної мети. Нам знадобилося багато часу, щоб зрозуміти, як цей конкретний фермент іммобілізується на електроді, але тепер ми починаємо бачити плоди цих зусиль. Вивчивши роботу ферменту, ми змогли точно спроєктувати матеріали, з яких складаються різні шари нашого пристрою, схожого на сендвіч. Завдяки цій конструкції всі компоненти взаємодіють більш ефективно — від крихітних наночастинок до цілого штучного листя”, — пояснює співавтор дослідження доктор Юнпен Лю.
Дослідження продемонстрували, що пристрій генерує високі струми і досягає практично ідеальної ефективності спрямування зарядів у реакції з утворення форміату. Пристрій успішно пропрацював понад 24 години, що більш ніж удвічі довше за попередні конструкції. Дослідники планують подальше вдосконалення свого пристрою із метою подовження терміну служби та адаптації для виробництва різних видів хімічної продукції.
Результати опубліковані у журналі Joule
Джерело: TechXplore
Повідомити про помилку
Текст, який буде надіслано нашим редакторам: