Для производства водородного топлива из воды американские ученые адаптировали природную мембрану

Получение водорода из воды и солнечного света позволит получить экологически чистый источник возобновляемого топлива, являющегося альтернативой ископаемому.

Элегантное решение

Исследование базируется на предыдущих работах, в которых использовалась фотосистема I - мембранный белковый комплекс, способный использовать световую энергию для передачи электронов в катализатор, вырабатывающий водород. Данная часть реакции, однако, представляет собой лишь 50 % процесса выработки водорода.

Применяя фотосистему ІІ, расщепляющую воду на кислород, водород и электроны благодаря энергии солнца, Лиза Утшиг и ee коллеги смогли передать электроны фотосистеме I.

Простота дизайна

В предыдущих экспериментах химики передавали электроны с помощью вещества-донора. По словам Утшиг, проблема заключалась в том, чтобы быстро передать катализатору два электрона.

Белковые комплексы встроены в тилакоидные мембраны, похожие на входящие в состав хлоропластов, которые генерируют кислород y растений. «Заимствованная у природы мембрана крайне важна для связи первой и второй фотосистем, - говорит Утшиг. - Ее структура поддерживает их и позволяет переносить электроны, не препятствуя взаимодействию первой фотосистемы c катализатором».

Синтетический катализатор и Z-схема (наименование цепи переноса электронов природного фотосинтеза в тилакоидной мембране) довольно элегантно сочетаются. «Красоту дизайна обеспечивает его простота – он позволяет соединять естественную мембрану с катализатором для любого необходимого химического процесса», - говорит она.

Дешевая технология

Еще одним усовершенствованием стала замена дорогого платинового катализатора, использовавшегося ранее, никельсодержащим и кобальтовым. Это дало возможность значительно сократить будущие расходы.

Перспектива использования в живых клетках

Согласно Утшиг, исследователи намерены перенести Z-схему в живую клетку.

«Как только процесс будет происходить в живой клетке, мы действительно сможем увидеть реальные перспективы производства водорода», - сказала она.

Работа «Z-схема солнечного расщепления воды посредством самосборки гибридов катализатора фотосистемы I в тилакоидных мембранах» была опубликована в онлайн-издании Chemical Science 29 октября 2018 года. Соавторами являются Сара Солто, Карен Малфорт, Йенс Никлас и Олег Полуэктов. Работа финансировалась Министерством наук США по программе фундаментальных энергетических наук.

Шаг к возобновляемой энергетике

Исследование продемонстрировало уникальную систему, которая связывает окисление воды фотосистемой II с восстановительной протонной связью химии самоорганизующихся конструкций катализатора фотосистемы II в фотосинтетических мембранах. И наночастицы платины, и синтетические молекулярные катализаторы легко связываются с тилакоидами посредством электростатических или гидрофобных взаимодействий, создавая жизнеспособные комплексы, которые используют свет для быстрого получения водорода непосредственно из воды.

Ученые показали возможность связи синтетических молекулярных катализаторов с тилакоидными мембранами и создания функциональной, недорогой системы производства топлива, решающей ключевую проблему масштабируемости для превращения энергии солнца в жизнеспособный источник энергии.

Работа обеспечила основу для будущих исследований с использованием синтетических катализаторов, настроенных с помощью известных химических модификаций, для природных систем доставки, нацеленных на фотосистему I. Исследование указывает на возможные средства повышения эффективности фотосинтеза в направлении производства солнечного топлива путем создания альтернативного пути переноса электронов во время подавления фотосинтеза при высокой интенсивности света.

Работа ученых стала еще одним шагом на пути к появлению живых фотосинтетических систем для создания возобновляемой энергетики.