В будущем люди станут покрывать крыши домов новым металл-органическим материалом, тем самым производя энергию для хозяйства и очищая воздух во дворе.
Группа ученых из Университета Центральной Флориды и Университета штата Флорида создали новый материал, который под действием видимого света за счет искусственного фотосинтеза перерабатывает углекислый газ в органические вещества.
Попытки воспроизвести фотосинтез – преобразование энергии солнечного света в энергию химических связей, предпринимаются давно, но в последнее время они активизировались в связи с глобальным потеплением. Дело в том, что CO 2 , служащий исходным сырьем для фотосинтеза, по вкладу в парниковый эффект уступает только водяному пару, содержащемуся в атмосфере.
Фотокаталитические свойства известны для некоторых небиологических веществ, в частности для металлоорганических каркасов – кристаллических соединений, состоящих из металлов и органических веществ. Обычно они проявляются при освещении ультрафиолетом, доля которого в солнечном свете составляет лишь 4 процента. К тому же, обычно в них используются крайне дорогие металлы, такие как платина, рений и иридий. Из-за этого использовать их для искусственного фотосинтеза очень дорого. В своей работе ученые решили использовать металлоорганический каркас на основе гораздо более доступного титана. Органическая часть по сути выполняла роль «антенны» для поглощения света. Немного модифицируя это вещество, исследователи могли изменять диапазон света, в котором он работает. Они решили адаптировать его для синего цвета.
Для имитации солнечного освещения инженеры собрали «фотореактор» – цилиндр, обклеенный изнутри светодиодной лентой, излучающей синий свет. Внутри цилиндра была подвешена колба с веществом, которую обдували углекислым газом. Гипотеза ученых подтвердилась и часть CO 2 была преобразована в органические вещества: формиат и формамид, которые можно рассматривать как солнечное топливо и использовать для получения энергии.
В дальнейшем ученые собираются увеличить КПД искусственного фотосинтеза и количество перерабатываемого CO 2 , а также адаптировать свой материал для других диапазонов видимого света. Они также предложили концепцию, заключающуюся в создании на заводах с большим количеством выбросов парниковых газов специальных очистных станций, которые будут перерабатывать выделяемый производством CO 2 , перерабатывать его в энергию и возвращать ее на завод.
Это далеко не первое исследование, посвященное искусственному фотосинтезу. Например, в 2015 году ученые создали устройство, которое на свету расщепляет воду на кислород и водород для водородно-кислородных топливных элементов, а затем в MIT показали похожее устройство, в котором полученный водород и углерод из воздуха перерабатываются генно-модифицированными бактериями в жидкое топливо. Некоторые исследователи предпочитают не создавать искусственные аппараты для фотосинтеза, а увеличивать эффективность фотосинтеза в растениях, как недавно сделала международная группа ученых. опубликовано
Высокая эффективность натурального является определенным ориентиром в развитии отрасли солнечной энергетики. Однако теперь, этот природный пример высокой производительности может оказаться устаревшим.
Впервые учёным удалось эффективно совместить химический электролиз с деятельностью бактерий. Система производит спирт и другие вещества буквально «из воздуха»
Исследователи из Гарвардского университета создали бионическую систему, которая преобразует и сохраняет солнечную энергию в химическом виде, используя гибридный механизм из неорганических материалов и живых микроорганизмов. Такая схема помогает решить сразу две проблемы: 1) сохранение , которая производится в избытке в светлое время суток и которой не хватает вечером; 2) устранение лишнего CO2 из атмосферы.
Устройство, получившее название Bionic leaf 2.0, создано на основе предыдущей версии листа, разработкой которого занималась та же команда ученых. Энергогенерирующая система состоит из солнечной панели, зажатой между листами кобальтового катализатора и ячейки с бактериями Ralstonia eutropha, занимающими нижнюю половину листа. При погружении в сосуд с водой при комнатной температуре и нормальном давлении искусственный лист имитирует фотосинтез. Ток из солнечных пластин Bionic leaf 2.0 подается на катализаторы, которые расщепляют молекулы воды на кислород и водород. Затем водород попадает в ячейки с ГМ-бактериям, которые отличаются тем, что могут соединять молекулы водорода с полученным из воздуха углеродом и превращают их в жидкое топливо.
Полученный водород уже можно было бы использовать в качестве топлива, но учёные решили усложнить систему, чтобы сделать её более эффективной. На следующем этапе в дело вступают бактерии Ralstonia eutropha, которые питаются водородом и CO2 из атмосферы. Благодаря этим питательным веществам колония бактерий активно увеличивается в размерах. Среди продуктов жизнедеятельности микроорганизмов - различные полезные химикаты. Учёные экспериментировали с генетическими модификациями и вывели бактерий, производящих различные виды спирта (C3 и C4+C5 на диаграммах) и прекурсоры пластика (PHB на диаграммах).
«Для этой работы мы разработали новый катализатор на основе кобальта и фосфора, который не производит реактивных форм кислорода. Это позволило снизить нам напряжение, что привело к резкому росту эффективности», - комментирует один из авторов работы.
Учёные уже десятилетиями пытаются выращивать бактерий на электродах, чтобы заставить их принять участие в химической цепочке реакций, но в этом процессе постоянно возникали разные проблемы, которые мешали создать по-настоящему эффективную систему
Главные из этих проблем - выщелачивание тяжёлых металлов из электродов, а также появление кислорода в активной форме. Оба этих процесса угнетают жизнь счастливых, здоровых бактерий. Важным открытием химиков из Гарварда стало использование системы электролиза с катодом и анодом на основе кобальта. По существу, катод и анод производят синергетический эффект, представляя собой самозаживляющуюся систему. Если один деградирует, второй снабжает его веществами, и наоборот.
«Я думаю, это на самом деле довольно волнующее исследование, - прокомментировал работу коллег Йоханнес Лишнер (Johannes Lischner) из Имперского колледжа Лондона. - Преобразование солнечного света в химическое топливо с высокой эффективностью - что-то вроде чаши Святого Грааля для возобновляемой энергетики».
По мнению независимых специалистов, которые не имеют отношения к данному исследованию, научная работа действительно революционная. Впервые в истории учёным удалось совместить химический электролиз с деятельностью бактерий с высоким КПД преобразования и сохранения энергии. Работы в этом направлении шли с 1960-х годов.
Если совместить эту систему с обычными фотоэлементами, то эффективность восстановления CO2 составит около 10% - это выше, чем в природном фотосинтезе!
Учёные предполагают, что их система эффективного электролиза с преобразованием энергии в жидкое топливо найдёт применение, в первую очередь, в развивающихся странах, где нет развитой электрической инфраструктуры, чтобы распределять и сохранять электричество, сгенерированное солнечными панелями в дневное время.
Материал из Википедии - свободной энциклопедии
Искусственный фотосинтез - попытки воспроизведения естественного процесса фотосинтеза . При этом под воздействием электромагнитного излучения видимого спектра вода и диоксид углерода преобразуются в молекулярный кислород и глюкозу. Иногда к искусственному фотосинтезу относят разделение воды на водород и кислород под воздействием солнечной энергии .
Исследования направлены на реализацию разновидности фотосинтеза, связанной с разложением воды на водород и кислород . Этот процесс является первой стадией фотосинтеза в растениях (светозависимая фаза). Конверсия диоксида углерода не требует воздействия света. Водород, полученный на первой стадии искусственного фотосинтеза может быть использован в водородных двигателях для генерирования «чистой» энергии.
Светонезависимая реакция («темновая фаза», Цикл Кальвина) является второй стадией фотосинтеза, в ходе которой диоксид углерода конвертируется в глюкозу. Глюкоза является источником энергии, обеспечивающим рост растений. Предполагается, что этот процесс, воспроизведённый в промышленных масштабах, поможет противостоять глобальному потеплению . Светонезависимая стадия фотосинтеза может быть использована для поглощения избыточного количества углекислого газа из атмосферы . Однако такой процесс будет требовать значительных источников энергии, как это происходит при фотосинтезе в растениях.
Примечания
| Это |
Природные праноеды, Акинфеев против фотосистемы-1,бактерии-хиппи и бактерии в доспехах, псевдокубы, искусственные листья и деревья, гонки растений и ученых, биология как величайший в мире химик и фотосинтез как он есть - в обстоятельном обзоре сайт.
Запасы нефти не вечны, и мы уже писали об альтернативных способах получения углеводородов. Особняком в списке этих способов стоит искусственный фотосинтез - выработка органического горючего из углекислого газа с помощью солнечной энергии.
Природное праноедение
Нас повсюду окружают настоящие праноеды, что бы ни говорили здравый смысл и врачи. Основная их пища - вода и воздух, соль земли и, конечно, энергия космоса. Солнечный луч, немного веществ из почвы, углекислый газ - и они чувствуют себя отлично. Каждый из вас видел таких, и не одного. Возможно, праноеды прямо сейчас находятся рядом с вами - стоят в горшке на подоконнике или стучат веткой в окно.
Легко догадаться, что речь идет о растениях. Им (а также некоторым бактериям) удается из воды (H₂O), углекислого газа (СO₂) и кванта солнечного света получать органику, углевод глюкозу (C₆H₁₂O₆), и энергию с помощью фотосинтеза. Если вы знаете этот процесс в деталях, можете пропустить эту и следующую главки и перейти к описанию достижений науки в области искусственного фотосинтеза, а если нет - самое время разобраться.
Фотосинтез чаще всего происходит в хлоропластах. Хотя, если вы бактерия и у вас их нет, еще не все потеряно (правда, в таком случае фотосинтез для вас может быть бескислородным, так что Гринпис вас бы не похвалил). Хлоропласты - «электростанции» растительной клетки, окруженные двухслойной оболочкой-мембраной. Ученые считают, что они произошли от цианобактерий, которых поглотила какая-то древняя клетка с ядром, но не стала расщеплять, а вступила с ними в симбиоз. Внутри хлоропластов есть стопки плоских мембранных мешочков-тилакоидов (само это слово происходит от греческого thylakos - «мешочек»). Эти стопки называются гранами (что на латыни означает «стопка монет»), и они соединены между собой более длинными тилакоидами - ламеллами.
Хлоропласты при увеличении в 40 раз
Wikimedia Commons
В мембраны тилакоидов встроены специальные пигменты - хлорофиллы нескольких типов, которые имеют зеленую окраску, так как отражают зеленый свет, а сине-фиолетовый и красный поглощают. «Головка» молекулы хлорофилла содержит атом магния и развернута в сторону водной среды, а «хвост», напротив, гидрофобный («боится» воды) и держит молекулу в мембране. Хлорофиллы организованы в фотосистемы I или II типа, отличающиеся предпочтениями к свету определенного спектра и длины волны (оптимум второй системы смещен в более красную область и составляет 700 нм, а первой - 680 нм). В центре каждой фотосистемы расположена молекула хлорофилла a , которой остальные молекулы хлорофилла в фотосистеме, называемые антенными, как хорошему нападающему, передают пасы - уловленные ими кванты света.
Хлорофилл эффективнее Акинфеева, но этого мало
Первая фаза фотосинтеза проходит на свету, поэтому ее называют световой. Кванты света возбуждают электроны хлорофилла, которые из-за этого покидают молекулу и «убегают» на внешнюю сторону мембраны тилакоида. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, место, где они скопились, становится отрицательно заряженным. Без электронов хлорофиллы долго не скучают - они отбирают их у воды, которая из-за этого распадается на OH⁻ и H⁺ (протоны, положительно заряженные частицы), а затем - на водород и воду. В итоге кислород выделяется, а протоны накапливаются внутри тилакоидов.
Как мы помним, снаружи тилакоиды из-за электронов заряжены отрицательно, а положительный и отрицательный заряды притягиваются. Чтобы соединиться с желанными электронами, протоны H⁺ должны пройти через белок-канал в мембране, который называется АТФ-синтаза. Падая на него, они как бы вращают турбину, помогая АТФ-синтазе оправдывать свое название и из АДФ (аденозиндифосфорной кислоты) синтезировать АТФ (аденозинтрифосфорную кислоту), главную форму хранения энергии в клетке, которая при отщеплении от нее фосфатов (всего их три, поэтому АТФ так и называется) выделяет много энергии. Затем атомы водорода, которые наконец соединились с электронами, принимает на себя специальный переносчик, который сокращенно называется НАДФ (в полном варианте - никотинамидадениндинуклеотидфосфат, но в большинстве случаев заучивание этого слова может пригодиться только для того, чтобы повергать в трепет особенно впечатлительных знакомых).
В темновой фазе, которая может происходить и без участия света, углекислый газ превращается в глюкозу и другие органические вещества. Сначала CO₂ фиксируется пятиуглеродным сахаром (рибулозобифосфатом) под действием фермента (рибулозобифостфат-карбоксилазы), образуя неустойчивое шестиуглеродное соединение. Оно сразу же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты, содержащей три молекулы углерода. Затем следует цикл реакций, называемый циклом Кальвина, в ходе которого используются АТФ и НАДФ*Н2, которые были накоплены в световой фазе.
К чему был этот пространный рассказ? В каждой из этих фаз происходят большие потери энергии, что сильно снижает эффективность природного фотосинтеза как процесса. При поглощении энергии фотонов (с учетом того, что улавливаются не все фотоны и только часть светового потока проходит через фотосинтезирующие части листа) теряется около 63% энергии. Это не так уж и мало. Можно продолжить аналогию между работой фотосистем и игрой в футбол, назвав хлорофилл a вратарем квантов (кстати, в России даже есть любительский футбольный клуб таким с названием - в наукограде Обнинске). Если для облегчения подсчетов очень грубо снизить вероятность голов до одного на матч, хлорофилл все равно улавливает фотоны на 22,2% лучше, чем российский вратарь Игорь Акинфеев - мячи.
Часть энергии фотонов (квантов света) теряется из-за принципа каравана, когда высокоэнергетические фотоны поглощаются заодно с низкоэнергетическими. 9% от общего количества энергии теряется при синтезе глюкозы, затем еще 3% тратится на очистку листа от побочных продуктов фотосинтеза.
Ростки зеленых технологий
Ученые ищут пути получения систем, которые были бы более продуктивны, чем растения, чтобы получать подходящее горючее (и даже не требуют изменений инфраструктуры заправок и фундаментальной перестройки автомобильной промышленности), при создании которого промышленность будет приносить пользу окружающей среде, перерабатывая накапливающийся в атмосфере углекислый газ.
Технологии, которые позволяют синтезировать топливо из углекислого газа без вмешательства живых организмов, часто основаны на рутениевом катализаторе, который был открыт в 2014 году. Этот катализатор позволяет синтезировать метан (CH₄; важнейший компонент природного газа) из водорода (H₂) и углекислого газа (CO₂), однако скорость синтеза - всего один миллимоль метана на грамм катализатора в час. Этим летом химики из Базеля даже предложили вставлять атомы рутения в сложные надмолекулярные структуры, которые будут «присматривать» за ценным катализатором и чинить его, оберегая от полного разрушения, но эффективность катализатора все еще оставляет желать лучшего.
Другой путь - использование природных белков-пигментов фотосистемы I в солнечных батареях. В клетке эти белки, как мы уже писали, находятся в липидной мембране. Она помогает фотосистеме I «держать строй» и выступает «изоляцией». Заменить эту мембрану предлагают пептидом - короткой цепочкой из шести аминокислот-аланинов и одной аминокислоты лизина. Улучшить поглощение света такой батареей помогают нанопокрытия - ряды стержней из оксида цинка или губчатые структуры из оксида титана. Однако эти технологии пока не вышли на уровень, когда коммерческое производство становится целесообразным. К тому же они помогают получать электричество, а не топливо, что менее эффективно и потребует преобразования всей инфраструктуры, если мы вдруг захотим перейти на электромобили.
Поэтому сейчас ученые все больше склоняются к гибридным технологиям, использующим живые одноклеточные организмы (как ни странно, обычно нефотосинтезирующие, но умеющие фиксировать CO₂) для синтеза органических соединений, которые можно легко переработать в топливо.
Продолжение обзора читайте
В то время как солнечные панели ограничены теоретическими пределами своей эффективности, где-то есть место для искусственного фотосинтеза, давно забытого братца солнечных панелей.
Весьма вероятно, что люди продолжат сжигать жидкое и твердое топливо, которое горит, в то время как солнечные панели смогут лишь обеспечить нас электричеством.
В 1912 году в Science была опубликована статья, в которой профессор Джакомо Чамичан писал следующее: «Уголь предлагает солнечную энергию человечеству в ее самой концентрированной форме, но уголь исчерпаем. Неужели ископаемая солнечная энергия - единственное, что может использовать современная жизнь и цивилизация?». И позже, в этой статье, он добавляет:
«Стеклянные здания будут повсюду; внутри них будут протекать фотохимические процессы, которые до сих пор были охраняемым секретом растений, но которые будут осваиваться человеческой промышленностью, она узнает, как заставить их давать еще более изобильные плоды, чем природа, поскольку природа никуда не торопится, а человечество наоборот. Жизнь и цивилизация будут продолжаться до тех пор, пока светит солнце».
Изменение климата дает новый импульс исследованиям искусственного фотосинтеза. Растения делают кое-что еще полезное: улавливают углекислый газ. Большинство климатических моделей, которые позволяют нам уложиться в лимит Парижского соглашения (2 градуса по Цельсию), требуют большого количества биоэнергии с улавливанием и хранением углерода. Это технология отрицательных выбросов, когда растения захватывают углекислый газ, превращаются в биотопливо и затем сгорают. Углерод улавливается и секвестрируется под землей.
Искусственный фотосинтез может быть углерод-отрицательным источником жидкого топлива вроде этанола. Защитники экологии зачастую обращаются к «водородной экономике» как к решению проблемы снижения углеродных выбросов. Вместо того чтобы заменять всю нашу инфраструктуру - полагающуюся на твердое и жидкое топливо - мы просто заменяем топливо. Топливо вроде водорода или этанола можно производить при помощи солнечной энергии, как в искусственном фотосинтезе, так что мы продолжим использовать жидкое топливо с меньшим ущербом окружающей среде. Всеобщая электрификация может быть более сложным процессом, чем просто переход от бензина к этанолу.
Искусственный фотосинтез определенно стоит исследовать. И за последние годы были сделаны большие шаги. Мощные инвестиции от правительственных и благотворительных фондов вливаются в солнечное топливо. Исследуется несколько разных фотохимических процессов, некоторые из которых уже обладают потенциалом быть более эффективными, чем даже растения.
В сентябре 2017 года Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли описала новый процесс, который может превращать CO2 в этанол, который затем можно использовать в качестве топлива, и этилен, который нужен для производства полиэтиленового пластика. Это стало первой демонстрацией успешного преобразования диоксида углерода в топливо и прекурсоры пластика.
В недавно опубликованной работе в Nature Catalysis обсуждалась техника, при которой фотоэлектрические панели подключаются к устройству, электролизующему диоксид углерода. Затем анаэробный микроб превращает диоксид углерода и воду, пользуясь электрической энергией, в бутанол.
Они отметили, что их способность превращать электроэнергию в желаемые продукты была эффективна почти на 100%, а система в целом смогла достичь 8% эффективности преобразования солнечного света в топливо. Может показаться, что это небольшая цифра, но 20% - это прекрасно для солнечных панелей, напрямую преобразующих солнечный свет в электричество; даже самые продуктивные растения, такие как сахарный тростник и просо, набирают не больше 6% эффективности. То есть это сопоставимо с биотопливом, которое в настоящее время используются, вроде кукурузного биоэтанола, так как кукуруза менее эффективна в преобразовании солнечного света в накопленную энергию.
Другие формы искусственного фотосинтеза сосредоточены на водороде как возможном топливе. Исследователи из Гарварда недавно представили впечатляющую версию «бионического листа», который может превращать солнечную энергию в водород. Одним из главных его преимуществ является то, что его эффективность быстро растет, если дать ему «подышать» чистым углекислым газом. Если мы собираемся жить в будущем, в котором огромные объемы диоксида углерода извлекаются из атмосферы, теперь у нас будет весьма неплохое для них применение. Хотя в последнее время люди недолюбливают эту идею (термодинамика использования электричества для расщепления воды на водород и кислород не всегда идеальна), все еще проводятся исследования на тему топливных ячеек для автомобилей и водорода для обогрева домов, особенно в Японии.
Одна из проблем, связанных с любыми усилиями по созданию искусственного фотосинтеза, состоит в том, что чем больше шагов у вас будет в процессе конверсии, тем больше энергии будет потеряно на этом пути. Использование электрифицированных приборов с энергией, вырабатываемой напрямую от солнца, будет куда более эффективным, чем любая схема по превращению электричества и диоксида углерода в топливо, которое вы затем будете сжигать для восстановления доли электрического ввода.
Кроме того, с экологической и практической точки зрения, строительство миллиардов искусственных растений может оказаться куда менее осуществимым, чем посев семян для нескольких хорошо выбранных видов биотоплива. С другой стороны, эти растения зачастую требуют хорошей почвы, которая быстро ухудшается из-за сельскохозяйственного давления. Биотопливо уже заподозрили в использовании земли, которая могла бы накормить растущее население. Плюс искусственного фотосинтеза в том, что вы можете увидеть, как эти «растения» процветают в пустыне или даже в океане.
Как это часто бывает, мы черпаем вдохновение у природы - но понять ее, подчинить и даже улучшить представляет для нас проблему.
